별의 거리 측정지표를 10배 이상 확장시키다.

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI) Science Credit: NASA, ESA, A. Riess (JHU/STScI), S. Casertano (STScI/JHU), J. Anderson and J. MacKenty (STScI), and A. Filippenko (University of California, Berkeley)

 

 사진1> 이 삽화는 허블우주망원경이 어떻게 이전의 연구실적보다 10배나 더 멀리까지 우리 은하 별들의 거리를 정확하게 측정할 수 있었는지를 보여주고 있다.

이러한 측정치의 폭발적인 확장은 우주의 크기를 측정하는데 필요한 우주적 거리의 지표석을 보다 정밀하게 접근하능하게 해 준다.
가장 확정적인 거리 측정은 삼각측량에 기반한 측정법으로서 이는 토지측량 기사에 의해 일반적으로 사용되는 방법이다.
별들은 관측자의 시각에서 너무나 광대한 거리를 떨어져 있기 때문에 허블우주망원경은 반드시 극도로 작은 영역의 각거리를 측정해내야만 한다.

 

 

허블 우주망원경이 별의 거리 측정지표를 10배 이상 확장시키는데 공헌하다.

 

허블우주망원경이 설치된지 24년이 지났음에도 불구하고 천문학자들은 여전히 창의적이고 기발하며 획기적인 새로운 사실들과 맞닥드리고 있다.

 

최근 혁신적인 기술을 이용하여 허블의 관측 정확도를 향상시킨 결과 지금까지 관측된 것보다도 10배 이상이나 멀리 떨어진 우리 은하의 별들에 대해 확고한 거리를 측정해낼 수 있었다.
 
허블우주망원경을 이용한 관측과 후속 분석들은 거리 측정에 반드시 필요한 각거리 측정을 위해 세밀하게 조정되었는데, 이 측정치는 너무나 정밀해서 일반적인 사람의 눈으로 달에 위치한 자동차 번호판을 식별할 수 있을정도의 수준이다.

새롭게 갖춰진 능력을 활용하여 천문학자들은 훨씬 멀리 떨어진 별들을, 예상측정거리를 더 정밀하게 다듬기 위한 거리표지석으로 사용할 수 있게 되었다.

게다가 이번 기술은 암흑에너지의 본성에 대한 새로운 통찰도 도출가능할 것으로 기대되고 있다.
암흑에너지는 멀리 떨어진 거리의 천체일수록 더빨리 멀어지게 만들고 있는, 우주를 구성하고 있는 수수께끼의 구성성분이다.

 

이번 새로운 장거리 측정을 위한 개념화의 증거로서 허블우주망원경은 세페이드 변광성이라 불리는 특별한 유형의 밝은 별들에 대한 거리를 측정하는데 사용되곤 했는데, 이 변광성들은 북반구의 별자리인 마차부 자리에, 7500광년 거리를 두고 떨어져 있는 별들이었다.
이 기술은 너무나 잘 작동하여 멀리 떨어진 또다른 세페이드 변광성들의 거리를 측정할 수 있도록 해 주었다.

이러한 측정치들은 이른바 우주적 "거리지표의 사다리"로 불리는 보다 확고한 발판을 제공하는데 사용될 것이다.

 

이 사다리들의 "가장 아래 발판"은 본질적인 밝기가 알려져 있는 세페이드 변광성들의 측정치를 이용하여 구축되었는데, 이는 관측가능한 우주의 크기를 측정하는 지표로서 1세기 가까이 사용되어 왔다.

 

이들은 Ia 유형의 초신성과 같은, 훨씬 멀리 떨어진 우주의 거리 표지석을 수립하는 첫번째 단계에 해당한다.

 

우주적 거리를 측정하는데 가장 신뢰할만한 방법은 2억 9천 8백만 킬로미터에 달하는 지구 공전궤도의 지름을 이용하여 단순한 기하학적 방법으로 측정을 하는 것이다.
지구 공전궤도 지름은 마치 토지 측량사가 사용하는 것과 상당히 유사한 삼각함수의 기선을 구축하는데 사용되었다.

 

만약 대상이 되는 별이 충분히 가깝다면 지구가 태양주위를 공전한 결과 이 별은 1년동안 하늘에서 지그재그로 움직이는 모습을 보일 것이다.
이러한 기술을 '시차'라고 부른다.

 

천문학적 시차 이용방법은 수백광년 내에 있는 별들의 거리를 측정하는데 있어 신뢰성이 높은 방법이다.
예를들어 가장 가까운 거리에 위치하는 알파 센타우리의 경우 1년동안 1각초의 시차변화를 나타내는데 이는 3.2킬로미터 거리에서 바라본 10센트 동전의 양끝 각도에 대응되는 변화이다.

 

그러나 훨씬 멀리 떨어진 별의 경우 이러한 겉보기상의 시차변화량이 너무나 작아서 이를 측정해내기가 거의 어렵다.
천문학자들은 우리 은하를 보다 깊이 들여다보며 시차를 확장하기 위해 각측정치를 계속 작은 치수까지 확장해왔다.

 

노벨상 수상자인 존스홉킨스 대학과 우주망원경과학 연구소의 아담 리스(Adam Riess)는 우주망원경과학 연구소 스테파노 카세르타노(Stefano Casertano)와 협력하여  허블우주망원경이 십억분의 5도의 정밀도로 측정할 수 있는 획기적인 기술을 개발했다.
(참고로 1도는 보름달 각거리의 2배에 해당한다)

 

리스가 상상했던 것은 만약 허블이 목표가 되는 별을 빠르게 여러번의 노출을 이용하여 촬영할 수 있다면 여기에 극도로 작은 각거리를 측정하는 데이터까지 포함시킬 수 있을 것이라는 것이었다.

그러나 다수의 노출을 이용하는 대신에 리스는 허블의 화상 감지기 상에 나타나는 별의 선형 궤적을 이용하는 방법을 생각했다.

 

리스는 수영경기가 있는 동안 레인에 기다란 선형 물길이 생기듯이, 별을 촬영하는 동안에도 궤적이 생기는 것을 어떻게 관측할 것인가라는 생각을 통해 이 기술을 생각해냈다고 말했다.
시차에 의해 발생될 수 있는 이 궤적의 극도로 미미한 상쇄치는 카세르타노와 리스가 개발한 새로운 분석 기술을 통해 측정되었다.

 

거리 측정을 위해 대상이 된 세페이드 변광성들은 지구가 공전궤도상에서 정반대에 위치하게 되는 매 6개월마다 촬영된다.

세페이드 변광성의 매우 미묘한 위치변화는 허블 우주망원경의 WFC3의 한 픽셀 너비의 1천분의 1의 정확도를 가지고 측정된다.
(WFC3의 총 픽셀은 16.8메가픽셀이다.)

 

세번째 노출은 첫번째 관측이 있은 후 12개월 후에 이루어지는데 이는 연구팀으로 하여금 미묘하게 발생하는 별 자체의 움직임으로 인한 효과를
빼낼 수 있게 해주며, 추가적인 노출은 기타 다른 에러원인을 제거하는데 사용된다.

 

리스는 우주의 팽창속도가 가속되고 있으며 이러한 현상은 우주 전역을 가득채우고 있는 수수께끼의 물질인 '암흑에너지'에 의해 광범위하게 영향을 받고 있음을 발견한 공로로 다른 팀과 함께 2011년 노벨물리학상을 공동수상하였다.

 

리스의 목표는 우주의 팽창율을 좀더 정교하게 예측하고 이를 통해 암흑에너지를 보다 잘 이해하는데 목표를 두고 있다.

* 출처 : 허블사이트 2014년 4월 10일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/23/

 

참고 : 암흑 에너지와 우주의 팽창등 우주론 관련 각종 포스팅은 아래 링크를 참고하세요.

          https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-23

Hubble Stretches Stellar Tape Measure 10 Times Farther into Space

Even though NASA's Hubble Space Telescope is 24 years old, astronomers are still coming up with imaginative, novel, and groundbreaking new uses for it. The latest is an innovative technique that improves Hubble's observing accuracy to the point where rock-solid distance measurements can be made to Milky Way stars 10 times farther away than ever accomplished before.

To do this, Hubble observations and subsequent analysis were fine-tuned to make angular measurements (needed for estimating distances) that are so fine that if your eyes had a similar capability you could read a car's license plate located as far away as the Moon!

This new capability allows astronomers to use even more distant stars as yardsticks to refine estimates. In addition, it is expected to yield new insight into the nature of dark energy, a mysterious component of space that is pushing the universe apart at an ever-faster rate.

As proof of concept for this new long-range precision, Hubble was used to measure the distance to a bright star of a special class (called Cepheid variables) that is located approximately 7,500 light-years away in the northern constellation Auriga. The technique worked so well that additional Hubble distance measurements to other far-flung Cepheids are being measured.

Such measurements will be used to provide firmer footing for the so-called cosmic "distance ladder." This ladder's "bottom rung" is built on measurements to Cepheid variable stars that, because of their known intrinsic brightnesses, have been used for more that a century to gauge the size of the observable universe. They are the first step in calibrating far-more-distant intergalactic milepost markers, such as Type Ia supernovae.

The most reliable method for making astronomical distance measurements is to use straightforward geometry where the 186-million-mile diameter of Earth's orbit is used to construct a baseline of a triangle, much as a land surveyor would use. If a target star is close enough, it will appear to zigzag on the sky during the year as a reflection of Earth's orbit about the Sun. This technique is called parallax.

Astronomical parallax works reliably for stars within a few hundred light-years of Earth. For example, the position of the nearest star system to our Sun, Alpha Centauri, varies due to parallax by only one arc second on the sky during the year, which is equal to the apparent width of a dime seen from two miles away.

But the farther away the star, the smaller the angle of its apparent back-and-forth motion, until the offset is so small it can barely be measured. Astronomers have pushed to make ever smaller angular measurements to extend the parallax yardstick ever deeper into our galaxy.

Noble Laureate Adam Riess of the Space Telescope Science Institute (STScI) and the Johns Hopkins University in Baltimore, Md., in collaboration with Stefano Casertano of STScI, developed an ingenious technique to use Hubble to make measurements as fine as five-billionths of a degree on the sky. (A degree is twice the angular width of the full moon.)

Riess imagined that if Hubble could take numerous exposures of a target star quickly, he could combine the data to measure extremely small angles on the sky. But rather than taking multiple exposures, Riess had the stars trail across Hubble's imaging detector to leave linear streaks. Riess says that he got the idea for how to do the observation while swimming laps in lanes that are long, linear swaths, like the stellar images streaked across the detector. Infinitesimal offsets in the streaks that could be caused by parallax were measured through new image analysis techniques developed by Casertano and Riess.

To make a distance measurement, exposures of the target Cepheid star were taken every six months, when Earth is on opposite sides of the Sun. A very subtle shift in the Cepheid's position was measured to an accuracy of 1/1000 the width of a single picture element (pixel) in Hubble's Wide Field Camera 3 (which has 16.8 megapixels total). A third exposure was taken 12 months after the first observation to allow for the team to subtract the effects of the subtle space motion of stars, with additional exposures used to remove other sources of error.

Riess shares the 2011 Nobel Prize in Physics with another team for his leadership in the 1998 discovery that the expansion rate of the universe is accelerating, a phenomenon widely attributed to a mysterious, unexplained "dark energy" filling the universe. His goal is to refine estimates for the universe's expansion rate to the point where dark energy can be better characterized.

CONTACT

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

Adam Riess
Space Telescope Science Institute/Johns Hopkins University, Baltimore, Md.
410-516-4474
ariess@stsci.edu