엘 고르도(El Gordo) 은하단이 생각보다 큰 규모를 가지고 있음을 밝혀내다.

 

Credit: NASA, ESA, and J. Jee (University of California, Davis)

 

사진1> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 138억년에 달하는 우리 우주의 나이가 반 정도밖에 되지 않았을 때 존재했던 가장 거대한 질량의 은하단을  촬영한 것이다.
ACT-CL J0102-4915 로 등재되어 있는 이 은하단은 인력장 내에 부유하고 있는 수백개의 은하들로 구성되어 있다.

허블우주망원경이 새롭게 측정한 이 은하단의 총 질량은, 비록 대부분의 질량이 암흑 물질로 숨겨져 있긴 하지만, 우리 태양과 같은 별의 3천조 배에 달하는 것으로 측정되었다.(이는 우리 은하 질량의 3천배에 해당하는 질량이다.)

암흑물질이 위치하고 있는 지역은 파란색으로 나타나 있다.

암흑 물질은 일체의 복사를 뿜어내지 않기 때문에 천문학자들은 이 은하단의 배경에 더 멀리 존재하는 은하의 모습이 중력 영향으로 인해 얼마나 구부러져 있는지를 정확하게 측정하였다.

이러한 과정을 통해 연구팀은 이 은하단의 질량을 추출할 수 있었다.
이 은하단의 별명은 엘 고르도(스페인어로 '뚱뚱한 사람'을 의미함)로서, 2012년 당시 X선 관측 자료와 운동 분석을 통해 이 은하단이 초기 우주에 존재하던 은하단으로서는 독특하게 엄청난 질량을 가지고 있음이 밝혀진 바 있다.

이번 허블의 관측 결과는 이 은하단이 두 개의 소규모 은하단 간의 파괴적인 충돌이 진행되고 있음을 밝혀주었다.

 

 

엘 고르도(El Gordo) 은하단이 생각보다 큰 규모를 가지고 있음을 밝혀내다.

 

허블 우주망원경이 매우 먼 거리에 존재하며, 자신의 별명인 엘 고르도(스페인어로 "뚱뚱한 사람"을 의미함)에 딱 맞아 떨어지는 가장 거대한 은하단의 무게를 측정했다.

 

훨씬 멀리 떨어진 배경은하로부터 발생한 빛이 이 은하단의 중력에 의해 구부러지는 양상을 매우 정교하게 측정함으로써, 연구팀은 이 은하단의 질량이 우리 태양 질량의 3천조 배에 달한다는 결과를 계산해냈다.

허블의 관측 데이터는 이 독특한 은하단에 대해 이전에 X선 관측 및 역학적 연구를 통해 측정된 질량보다 대략 43퍼센트 더 무거운 질량을 가지고 있다는 결과를 도출해냈다.

 

이번 연구팀을 이끄는 캘리포니아 대학 제임스 지(James Jee)의 소감은 다음과 같다.
"이번 결과는 초기 우주에 존재하는 이 놀라운 은하단이 훨씬 더 강력한 천체일 가능성을 알려주고 있는 것이랍니다."
 

이 전체 질량의 일부에는 수백개의 은하들이 포함되어 있으며 이보다 더 큰 규모의 조각은 은하단 전체를 채우고 있는 뜨거운 가스에 잠겨 있다.

그 나머지는 암흑물질이라는 보이지 않는 물질에 매여있다.
암흑물질은 우주의 한 부분을 구성하고 있는 질량덩어리이다.

 

비록 우리와 근거리에 존재하는 은하단 중에서는 총알 은하단(Bullet Cluster)과 같은 무거운 은하들이 발견되기도 하지만, 138억년에 달하는 우주의 나이가 반 정도 지난 시점에 존재하는 은하단으로서 이와 같이 거대한 질량을 가진 은하단은 존재하지 않는다.

 

연구팀은 오늘날의 우주론에 입각해서 볼 때 초기 우주에서 거대한 질량의 괴물 은하단이 매우 드물다는 사실을 의심했다.

 

막대한 규모의 엘 고르도가 처음으로로 알려진 것은 2012년 1월의 일이었다.

 

Credit: NASA, ESA, J. Jee (University of California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University and University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), and K. Ng (University of California, Davis)

 

사진 2> 붉은 색은 2012년 찬드라 X선 망원경에 의해 촬영된 데이터이다.

 

당시 천문학자들은 NASA의 찬드라 X선 우주망원경의 관측 자료와 유럽남반구 천문대의 VLT를 통해 측정한 은하의 운동 속도를 바탕으로 질량을 측정한 바 있다.
이들은 은하단 내 은하들의 움직임과 이 은하들 사이 가스의 매우 높은 온도를 기반으로 이 은하단의 질량을 측정하였다.

 

당시 연구진의 보고에 의하면 ACT-CL J0102-4915 로 등재된 이 은하단은 한 쌍의 은하단 간의 대규모 충돌의 결과인 것으로 보이며, 이는 마치 '두 개의 대포알이 서로 충돌한 것과 같은 모습'이라고 묘사되었다.

 

뉴저지 주립대학 존 휴즈(John Hughes)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 거대한 충돌의 와중에 있는 은하단을 보게 되었을 때 무슨 일이 일어나고 있을지, 그리고 이러한 충돌 과정이 X선 가스와 은하들의 움직임에 어떤 영향을 끼치게 될지를 궁금하게 생각했습니다.
따라서 연구의 기반은 매우 복잡한 충돌 상태로 인해서, 이전에 수행된 질량 측정치의 신뢰도에 몇몇 의문을 남겨둔 상황이었죠."
 

일리노이 대학 어바나 샴페인 캠퍼스 펠리페 메넌튜( Felipe Menanteau)의 설명은 다음과 같다.

"바로 이러한 의문점에 허블의 관측 데이터가 들어올 수 있었던 것이죠.
현대 우주론 모델에서 매우 드물게 존재하며, 매우 극단적인 이 은하단에 대해 독립적이면서 보다 확실한 질량을 측정할 필요에 놓인 우리는 매우 절박한 상황이었습니다. 
이러한 모든 운동에너지들은 질량 측정에 대해 충분한 설명이 될 수 없었고, 우리가 이 은하단의 질량을 실제로 매우 과소평가하고 있을지도 모른다는 점을 말해주고 있었답니다."
 

이러한 "설명되지 않은 에너지"에 대한 의심은 현재 발생하고 있는 충돌병합과정이 관측자의 시선상에서 거의 상관이 없어보이는 곳에서 진행되고 있기 때문일 것이라는 데서 발생했다.

 

이러한 사실은 충돌 운동 에너지의 상당 부분을 놓치고 있을 가능성이 있다는 것을 의미하는 것이었으며, 분광분석 데이터들은 오직 은하의 방사상 운동만을 추적할 수 있기 때문이었다.

 

따라서 연구팀은 허블 우주망원경을 이용하여 이 은하단의 질량이 얼마나 강력하게 공간을 구부리고 있는지를 측정하였다.

 

허블우주망원경의 고해상도 관측 능력은 '약한 중력렌즈 현상(weak lensing)'이라 불리는, 은하단의 거대한 중력이 마치 놀이동산의 거울처럼 우주 공간을 미묘하게 구부리는 현상을 관측할 수 있도록 해주고 있다.

구부러지는 정도가 커질수록 더 많은 질량이 이 은하단에 잠겨있는 것이다.

 

제임스 지는 자신이 했던 일은 훨씬 더 멀리 떨어진 은하들이 모양을 관측하는 것이었다고 대답했다.

 

연구팀의 다음단계는 허블을 이용하여 이 은하단의 거대한 모자이크 사진을 얻어내는 것이다.

하지만 이러한 작업은 허블의 시야각으로는 적합한 일이 아니다.
이는 마치 거인의 머리와 어깨만을 보는 것과 같은 것이라고 연구원들은 말한다.

 

메넌튜의 소감은 다음과 같다.
"지금 우리로서는 엘 고르도가 매우 거대한 규모라는 점만 말할 수 있습니다.
우리는 이 천체가 어떤 종류의 다리들을 가지고 있는지는 알 수 없는 상태이죠.
따라서 이 거대한 은하단 전체를 촬영해내기 위해서는 보다 더 넓은 화각이 필요한 상태랍니다."

 

Credit:   NASA ,  ESA , J. Jee (University of California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University and University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), and K. Ng (University of California, Davis)

 

사진 3> 엘 고르도 은하단

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 4월 3일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/22/
           

참고 : 엘고르도 은하단을 비롯한 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
       - 은하 일반 :  https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 :  https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 :  https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-22

Hubble Finds That Monster 'El Gordo' Galaxy Cluster Is Bigger Than Thought

NASA's Hubble Space Telescope has weighed the largest known galaxy cluster in the distant universe and found that it definitely lives up to its nickname: El Gordo (Spanish for "the fat one").

By precisely measuring how much the gravity from the cluster's mass warps images of far-more-distant background galaxies, a team of astronomers has calculated the cluster's mass to be as much as 3 million billion times the mass of our Sun. The Hubble data show that the cluster is roughly 43 percent more massive than earlier estimates based on X-ray and dynamical studies of the unusual cluster.

"It's given us an even stronger probability that this is really an amazing system very early in the universe," said team lead James Jee of the University of California at Davis.

A fraction of this mass is locked up in several hundred galaxies that inhabit the cluster and a larger fraction is in hot gas that fills the entire volume of the cluster. The rest is tied up in dark matter, an invisible form of matter that makes up the bulk of the mass of the universe.

Though galaxy clusters as massive are found in the nearby universe, such as the so-called Bullet Cluster, nothing like this has ever been seen to exist so far back in time, when the universe was roughly half of its current age of 13.8 billion years. The team suspects such monsters are rare in the early universe, based on current cosmological models.

The immense size of El Gordo was first reported in January 2012. Astronomers estimated its huge mass based on observations from NASA's Chandra X-ray Observatory and galaxy velocities measured by the European Southern Observatory's Very Large Telescope array in Paranal, Chile. They were able to put together estimates of the cluster's mass based on the motions of the galaxies moving inside the cluster and the very high temperatures of the hot gas between the cluster galaxies.

The challenge was that they noticed that the cluster (catalogued as ACT-CL J0102-4915) looked as if it might have been the result of a titanic collision between a pair of galaxy clusters the researchers describe as "seeing two cannonballs hit each other."

"We wondered what happens when you catch a cluster in the midst of a major merger and how the merger process influences both the X-ray gas and the motion of the galaxies," explained John Hughes of Rutgers University. "So the bottom line is that because of the complicated merger state, it left some questions about the reliability of the mass estimates we were making."

"That's where the Hubble data came in," said Felipe Menanteau of the University of Illinois at Urbana-Champaign. "We were in dire need for an independent and more robust mass estimate given how extreme this cluster is and how rare its existence is in the current cosmological model. There was all this kinematic energy that could be unaccounted for and could potentially suggest that we were actually underestimating the mass." The expectation of "unaccounted energy" comes from the fact that the merger is occurring tangentially to the observers' line of sight. This means they are potentially missing a good fraction of the kinetic energy of the merger because their spectroscopic measurements only track the radial speeds of the galaxies.

The team used Hubble to measure how strongly the mass of the cluster warped space. Hubble's high resolution allowed measurements of so-called "weak lensing," where the cluster's immense gravity subtly distorts space like a funhouse mirror and warps images of background galaxies. The greater the warping, the more mass is locked up in the cluster. "What I did is basically look at the shapes of the background galaxies that are farther away than the cluster itself," explained Jee.

The team's next step with Hubble will be to try to get a large mosaic image of the cluster. It doesn't fit into Hubble's field of view. It's like looking at a giant's head and shoulders from the side, say researchers. "We can tell it's a pretty big El Gordo, but we don't know what kind of legs he has, so we need to have a larger field of view to get the complete picture of the giant," said Menanteau.

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Ray Villard
Space Science Telescope Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
villard@stsci.edu

James Jee
University of California, Davis, Calif.
530-754-7428
mkjee@physics.ucdavis.edu

John Hughes
Rutgers University, Piscataway, N.J.
848-445-8878
jph@physics.rutgers.edu

Felipe Menanteau
University of Illinois, Champaign, Ill.
217-244-6297
felipe@illinois.edu