천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 우주적 렌즈의 처방전을 점검하다.

Credit: NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State), and C. McCully (Rutgers University)

 

사진1> 사진에 보이는 것은 MACSJ1720+35 라 불리는 광대한 은하단의 심장부로서, 허블 우주망원경에 의해 가시광선과 근적외선대역으로 촬영된 것이다.
이 은하단은 대단히 무거워서 그 중력이 뒷쪽에 위치한 천체로부터 발생한 빛을 구부리고, 더 밝게 만드는, 중력렌즈라 불리는 현상을 만들어낸다.

사진 상단 우측에 폭발하고 있는 별의 이름은 카라칼라(Caracalla)인데 이 별은 은하단 뒤쪽에 위치하고 있어 식별이 가능했던 별이다.
이 초신성은 천문학자들에 의해 대단히 중요한 Ia 유형이라 불리는 특별한 유형에 속하는 별이다.
이 유형의 별들은 일정한 정도의 최대 밝기를 보여주고 있어 우주의 거리를 측정하는데 있어 신뢰도를 높여주는 천체이다.  
중력렌즈효과에 의해 확대된 Ia 유형의 초신성은 천문학자들로 하여금 전면에 위치하여 렌즈 역할을 수행하는 은하단의 광학적 "처방전"을 점검할 수 있는 독보적인 기회를 제공해준다.

이 초신성은 허블을 이용한 은하단의 중력렌즈와 초신성 연구(the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble, 이하 CLASH)에 의해 발견된 3개의 초신성 중 하나이며 초신성 우주론 프로젝트 프로그램(Supernova Cosmology Project HST program)의 일환으로 후속연구되었다.

CLASH는 25개 은하단에서 암흑물질의 분포를 탐사하기 위한 조사 프로그램이다.

암흑물질은 직접적으로 관측되지는 않지만 우주 물질의 상당 부분을 구성하는 것으로 추정되고 있는 물질이다.
이 사진은 2012년 3월과 7월, 허블 WFC3와 ACS에 의해 촬영된 것이다.

 

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 우주적 렌즈의 처방전을 점검하다.

 

 

두 개의 천문연구팀이 허블우주망원경을 이용하여 멀리 떨어진 3개의 폭발하는 별들을 발견했다.
이들은 "우주적 렌즈"와 같이 행동하는, 앞쪽 은하단의 거대한 중력에 의해 그 빛이 확대되면서 발견된 것이다.
이 초신성들은 Ia 유형의 초신성으로서는 첫번째로 중력렌즈에 의해 발견된 천체이며 천문학자들에게 중력렌즈의 효력을 점검하는 강력한 툴을 제공해주고 있다.

 

 

중력이 엄청난 은하단들은 강력한 중력으로 인해 자신을 통과하는 빛의 경로를 구부러뜨릴 수 있는 "중력렌즈"의 역할을 수행한다.[1]
이러한 렌즈 효과는, 이 효과가 아니라면 너무나도 희미해서 심지어는 가장 큰 망원경으로도 관측할 수 있는 은하단 뒤쪽으로 멀리 떨어진 천체를 더 크고 더 밝게 보이게 만든다.

 

이번 새로운 발견은 중력렌즈 효과에 대해 지금까지 기술되어 온 것보다 훨씬더 정확한 서술을 향해 나아가는 첫번째 발걸음이기도 하다.

 

중력렌즈를 통해 확대된 천체가 과연 얼마나 확대된 것인지는 우리가 직접적으로 볼 수 있는 암흑 물질을 포함한 은하단의 물질량에 의해 결정된다.[2]

 

천문학자들은 은하단 내에 숨어있는 암흑물질의 양과 분포를 예측하는 지도를 개발하고 있다.
이렇게 그려진 지도는 은하단의 렌즈 규정서이며 은하단을 통과하게 되면서 확대되는 빛의 천체가 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 예측하게 된다.

 

그러나 천문학자들은 어떻게 이러한 규칙을 정확하게 알 수 있을까?
지금 두 개의 개별적인 천문연구팀이 초신성 우주론 연구 프로젝트(the Supernova Cosmology Project)와 CLASH를 진행중에 있으며, 이들은 중력렌즈의 규칙을 확인하는 새로운 방법을 개발하였다.

 

이들은 중력렌즈 작용을 수행한 각각의 은하단인 Abell 383과 RXJ1532.9+3021, MACS J1720.2+3536에 의해 나타난 세 개 초신성인 티베리우스(Tiberius), 디디우스(Didius), 카라칼라(Caracalla)를 분석하였다.
운좋게도 이 중에서 두 개, 또는 세 개 모두 표준 촛불로서 사용될 수 있는 특정 초신성 유형에 해당하는 양상을 보였다 [3].

 

CALSH 연구팀의 일원인 뉴저지 주립대학교의 Saurabh Jha의 설명은 다음과 같다.
"우리는 사상처음으로 중력렌즈 효과를 일으키는 은하단에 대해 시각적인 도표를 제공해 줄 수 있는 Ia 유형의 초신성들을 발견했습니다.
Ia 유형의 초신성에 대해서는 절대광도를 측정할 수 있기 때문에 우리는 독자적으로 중력렌즈의 확대치를 측정할 수 있게 되었으며, 이는 다른 천체의 중력 렌즈현상에서는 가능하지 않은 일이었습니다."
 

연구팀은 중력렌즈로 확대된 초신성의 밝기를 측정하였고 이를 Ia 유형의 초신성 폭발시 발생하는 절대 밝기와 비교함으로써, 중력 렌즈 효과에 의해 이 별의 밝기가 얼마나 확대되었는지를 계산할 수 있었다.

 

이 중에서 하나의 초신성은 특출나게 밝은 모습을 나타내고 있는데 이는 중력 렌즈의 확대작용에 의해 예상되었던 것보다 두 배나 더 밝게 나타났다.

 

CLASH 서베이에서 발견된 이 세 개의 초신성들은 허블 우주망원경을 통해 25개의 은하단에 존재하는 암흑물질의 분포를 탐지하는데 사용되었다.
3개의 초신성들 중 2개는 2012년에 발견되었고, 나머지 하나는 2010년과 2011년에 발견되었다.

 

 

Credit: NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State), and C. McCully (Rutgers University)

 

사진2> 사진에 보이는 것은 MACSJ1720+35 라 불리는 광대한 은하단의 심장부로서, 허블 우주망원경에 의해 가시광선과 근적외선대역으로 촬영된 것이다.
이 은하단 역시 대단히 무거워서 그 중력이 뒷쪽에 위치한 천체로부터 발생한 빛을 구부리고, 더 밝게 만드는, 중력렌즈라 불리는 현상을 만들어낸다.
사진 상단 우측의 작은 하얀색 박스는 은하단 뒤쪽에 위치하는 폭발하는 별의 위치를 알려주고 있다.
카라칼라(Caracalla)라는 이름의 이 초신성을 확대한 사진이 왼쪽으로 보이는데 이 사진은 2012년 7월 촬영된 것이다.

화살표가 은하의 밝은 핵 근처에 위치한 초신성의 위치를 보여주고 있다.
이 초신성은 77억년 전 과거의 모습을 보여주고 있다.

이 사진은 허블 WFC3에 의해 근적외선으로 촬영된 것이다.
왼쪽의 네모 박스는 2012년 3월에 촬영된 동일 지역으로서 초신성 폭발이 발생하기 전의 모습니다.
천문학자들은 허블 ACS와 WFC3가 촬영한 가시광선 및 근적외선 데이터를 조합하여 이 사진을 만들어냈다.

이 사진은 2012년 3월과 7월, 허블 WFC3와 ACS에 의해 촬영된 것이다.

 

 

Credit:NASA, ESA, C. McCully (Rutgers University), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), J. Nordin (NBNL, UC Berkeley), and D. Rubin (Florida State)

 

사진3> 이 사진에는 Abell 383 이라 불리는 광대한 은하단의 심장부가 담겨 있으며 허블우주망원경에 의해 가시광선과 근적외선으로 촬영된 것이다.

왼쪽 하얀색 박스에는 이 은하단의 뒷쪽에 위치하는 초신성이라 불리는 폭발하는 별의 위치가 표시되어 있다.
확대된 박스에는 1세기 로마황제의 이름을 따 티베리우스(Tiberius)라 불리는 초신성의 모습이 담겨 있으며 이 사진은 2011년 1월에 촬영된 것이다.
화살표는 이 초신성의 위치를 표시하고 있다.
초신성 바로 아래 밝게 빛나는 물질은 초신성이 위치한 은하의 일부분이다.
이 초신성은 80억년 전에 발생한 것이다.
왼쪽 박스는 2010년 11월에 촬영된 동일 지역으로 초신성 폭발이 발생하기 전의 모습이다.
네모 박스의 두 개 사진 모두 허블 ACS에 의해 가시광선으로 촬영된 것이다.
은하단의 사진은 2010년 11월과 2011년 2월 허블 WFC3와 ACS에 의해 촬영된 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, C. McCully (Rutgers University), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), J. Nordin (NBNL, UC Berkeley), and D. Rubin (Florida State)

 

사진4> 이 사진은 RXJ1532.9+3021이라는 이름의 광대한 은하단의 심장부를 촬영한 것으로 허블 우주망원경에 의해 가시광선과 근적외선으로 촬영된 것이다.
상단 우측의 작은 하얀색 박스에는 이 은하단의 뒷쪽에 위치하는 초신성이라 불리는 폭발하는 별의 위치가 표시되어 있다.
2세기 로마황제 디디우스 율리아누스(Didius Julianus)의 이름을 따 디디우스라는 이름이 붙은 이 초신성의 확대 사진이 우측 네모 박스에 보이는데

이 사진은 2012년 3월에 촬영된 것이다.
확대 사진 중심의 하얀색 점이 바로 이 초신성이다.
왼쪽 상단에 밝은 거품처럼 보이는 것은 초신성이 위치하고 있는 은하의 핵이다.
이 초신성은 70억년 전에 폭발한 것이다.
왼쪽 네모 박스의 사진은 2012년 2월에 촬영된 것으로 초신성이 폭발하기 전 동일 지역을 촬영한 것이다.
두 개 네모박스의 사진 모두 허블 ACS를 통해 가시광선으로 촬영된 것이다.
은하단의 사진은 2012년 2월과 4월 사이 허블 WFC3와 ACS에 의해 촬영된 것이다.

데이터의 분석을 위해 두 개 연구팀은 허블 우주망원경을 통한 우주에서의 관측 및 지상에 위치한 망원경을 통한 관측을 병행하였으며, 이들 초신성들의 거리에 대한 독립적인 측정치를 도출하였다[4].
이 조사를 통해 이 초신성이 Ia 유형에 속한다는 것을 직접적으로 확정할 수 있었다.

 

다른 경우들에 있어 초신성의 분광스펙트럼은 아주 약하거나 초신성이 위치하고 있는 은하의 불빛에 완전히 압도되곤 한다.
이러한 경우 빛이 밝아지거나 희미해지는 양상에서 나타나는 서로 다른 색체들을 통해 초신성의 유형이 확립되곤 한다.

 

각 연구팀은 연구 결과를 은하단의 암흑물질 분포에 대한 독립적인 이론적 모델과 비교하였다.
그리고 이로부터 동일한 결과를 도출하였다. 예측치가 모델에 딱 들어맞았던 것이다.

 

초신성 우주론 프로젝트 연구팀의 일원인, 버클리 대학 및 로렌스 버클리 국립 연구소의 제이콥 노르딘(Jakob Nordin)의 설명은 다음과 같다.
"두 개의 독립적인 연구 결과가 거의 동일한 결론에 도달한 것에 우리는 크게 용기를 얻었습니다.
이번 연구는 중력렌즈의 작용에 의해 확대된 초신성들에 관한 앞으로의 연구에 대해 훨씬 더 정확한 측정을 할 수 있는 매우 훌륭한 가이드라인을 제시한 셈입니다."
노르딘은 이번 발견에 대한 논문의 수석 저자이다.

 

초신성 우주론 프로젝트의 은하단 모델은 팀의 일원인 프랑스 리옹 대학의 요한 리차드(Johan Richard)와 스위스 로잔 공과대학의 얀-폴 크나이브(Jean-Paul Kneib)에 의해 수립되었다.

 

크나이브의 소감은 다음과 같다.
"이 초신성들이 우리가 예측한 것과 같이 움직인 것은 정말 놀라운 일이었습니다.
우리의 복잡한 은하단 모델이 옳다는 것이 확정될수록, 우리는 더 이들에 의존할 수 있고, 초기 우주를 탐색하는데 이들을 활용할 수 있을 겁니다."

 

초신성 우주론 프로젝트의 책임자인 버클리 대학 및 버클리 연구소의 솔 펄머터(Saul Perlmutter)가 덧붙인 설명은 다음과 같다.
"이들 중력렌즈 모델에 대한 우리의 이해를 향상시키는 것은 핵심적인 우주론 연구의 범주를 확장하는데 또한 영향을 주었습니다.
이들 렌즈 처방전들은 은하단의 질량 측정결과를 도출하여 우리들로 하여금 우주에서 은하단이 형성되던 때의 중력과 암흑에너지간의 우주적 경쟁양상을 탐지할 수 있도록 해준답니다."

 

암흑 물질은 우주의 팽창을 가속시키고 있는 수수께끼의 눈에 보이지 않는 에너지이다.

천문학자들은 프론티어 필드와 같은 허블 우주망원경을 이용한 탐사 프로그램과 제임스 웹 우주망원경과 같은 미래의 우주망원경을 통해
이와같은 독특한 초신성들을 더 발견할 수 있을 것이라고 낙관하고 있다.

 

누구든 자신이 착용한 렌즈의 처방을 점검하기 원한다면 한 군데 이상의 병원에서 검증받기를 원하는데 이는 매우 중요한 일이다.

 

CLASH 팀의 연구 결과를 담은 논문의 수석 저자인 뉴저지 주립대학의 브랜든 파텔(Brandon Patel)의 설명은 다음과 같다.
"허블 우주망원경은 이미 중력렌즈로서 작용하는 거대 질량의 은하단을 탐사하는 3년간의 조사 프로젝트인 프론티어 필드를 통해 이를 찾고 있는 중입니다.
이를 통해 그 뒷편에 무엇이 있는지를 찾아내고 있는 중이죠."
 

연구 결과는 2014년 5월 Astrophysical Journal 에 개재되었다.
또한 초신성 우주론 프로젝트의 발견은 2014년 5월 왕립천문학회의 월보에 개재되었다. 

 

각주

[1] 이 효과는 알버트 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 예견하였다.

[2] 암흑물질은 우리 우주 물질의 상당 부분을 차지할 것으로 생각되고 있다. 따라서 이는 은하단 중력의 대부분을 차지하는 근원이기도 하다.

[3] 천문학적 의미에서 "표준 촛불"이란 그 고유 밝기가 명확하게 결정된 천체를 말한다.
따라서 이들은 천문학적 거리를 지나오는 동안 빛이 희미해진 정도를 기반으로 실제 거리를 측정하는데 사용될 수 있는 천체이다.

[4] 천문학자들은 허블 ACS를 통해 가시광선 데이터를, 그리고 WFC3를 통해 적외선 데이터를 획득하였다.

 

* 출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 5월 1일 발표 뉴스
           http://www.spacetelescope.org/news/heic1409/

 

참고 : RXJ1532.9+3021 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
       
참고 : 다양한 초신성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

참고 : 중력렌즈를 비롯한 우주론과 관련된 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

Hubble astronomers check the prescription of a cosmic lens

First ever gravitationally lensed Type Ia supernovae discovered

1 May 2014

Two teams of astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have discovered three distant exploding stars that have been magnified by the immense gravity of foreground galaxy clusters, which act like "cosmic lenses". These supernovae offer astronomers a powerful tool to check the prescription of these massive lenses.

Massive clusters of galaxies act as “gravitational lenses” because their powerful gravity bends light passing through them [1]. This lensing phenomenon makes faraway objects behind the clusters appear bigger and brighter — objects that might otherwise be too faint to see, even with the largest telescopes.

The new findings are the first steps towards the most precise prescription — or map — ever made for such a lens. How much a gravitationally lensed object is magnified depends on the amount of matter in a cluster — including dark matter, which we cannot see directly [2]. Astronomers develop maps that estimate the location and amount of dark matter lurking in a cluster. These maps are the lens prescriptions of a galaxy cluster and predict how distant objects behind a cluster will be magnified when their light passes through it. But how do astronomers know this prescription is accurate?

Now, two independent teams of astronomers from the Supernova Cosmology Project and the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) have found a new method to check the prescription of a gravitational lens. They analysed three supernovae — nicknamed Tiberius, Didius and Caracalla — which were each lensed by a different massive galaxy cluster — Abell 383, RXJ1532.9+3021 and MACS J1720.2+3536, respectively. Luckily, two and possibly all three of these supernovae appeared to be a special type of exploding star that can be used as a standard candle [3].

“Here we have found Type Ia supernovae that can be used like an eye chart for each lensing cluster,” explained Saurabh Jha of Rutgers University, USA, a member of the CLASH team. “Because we can estimate the intrinsic brightness of the Type Ia supernovae, we can independently measure the magnification of the lens, which is not possible with other background sources."

The teams measured the brightnesses of the lensed supernovae and compared them to the explosion's intrinsic brightness to calculate how much brighter the exploding stars' were made due to gravitational lensing. one supernova in particular stood out, appearing to be about twice as bright as would have been expected if not for the cluster's magnification power.

The three supernovae were discovered in the CLASH survey, which used Hubble to probe the distribution of dark matter in 25 galaxy clusters. Two of the supernovae were found in 2012; the other in 2010 to 2011.

To perform their analyses, both teams used Hubble observations alongside observations from both space and ground-based telescopes to provide independent estimates of the distances to these exploding stars [4].

In some cases the observations allowed direct confirmation of a Type Ia pedigree. In other cases the supernova spectrum was weak or overwhelmed by the light of its parent galaxy. In those cases the brightening and fading behaviour of the supernovae in different colours was used to help establish the supernova type.

Each team compared its results with independent theoretical models of the clusters' dark matter content. They each came to the same conclusions: that the predictions fit the models.

“It is encouraging that the two independent studies reach quite similar conclusions,” explained Supernova Cosmology Project team member Jakob Nordin of the E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and the University of California, Berkeley. “These pilot studies provide very good guidelines for making future observations of lensed supernovae even more accurate.” Nordin is the lead author on the team's science paper describing the findings.

The Supernova Cosmology Project's galaxy cluster models were created by team members Johan Richard of the University of Lyon in France, and Jean-Paul Kneib of Ecole Polytechnique Federale de Lausanne in Switzerland. “It’s really great to see that these supernovae are behaving in the way we expected,” says Kneib. “The more confirmation we get that our complex cluster models are correct, the more we can rely on them, and use them to probe the early Universe.”

“Building on our understanding of these lensing models also has implications for a wide range of key cosmological studies,” added Supernova Cosmology Project leader Saul Perlmutter of Berkeley Lab and the University of California, Berkeley. “These lens prescriptions yield measurements of the cluster masses, allowing us to probe the cosmic competition between gravity and dark energy as matter in the Universe gets pulled into galaxy clusters.” Dark energy being a mysterious and invisible energy that is accelerating the Universe's expansion.

The astronomers are optimistic that Hubble surveys such as Frontier Fields and future telescopes, including the infrared James Webb Space Telescope, will find more of these unique exploding stars. This is important as if you want to check the prescription of your lens, you really want to check it in more than one place. “Hubble is already hunting for them in the Frontier Fields, a three-year Hubble survey of the distant universe which uses massive galaxy clusters as gravitational lenses, to reveal what lies beyond them” said CLASH team member Brandon Patel of Rutgers University, the lead author on the science paper announcing the CLASH team's results.

The results from the CLASH team will appear in the May 2014 issue of The Astrophysical Journal. The Supernova Cosmology Project's findings will appear in the May 2014 edition of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Notes

[1] Albert Einstein predicted this effect in his theory of general relativity.

[2] Dark matter is believed to make up the bulk of the Universe's matter, and is therefore the source of most of a cluster's gravity.

[3] An astronomical "standard candle" is any type of luminous object whose intrinsic power is so accurately determined that it can be used to make distance measurements based on the rate the light dims over astronomical distances.

[4] The astronomers obtained observations in visible light from Hubble's Advanced Camera for Surveys and in infrared light from the Wide Field Camera 3.

More information

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The work is published in two papers, the CLASH team in The Astrophysical Journal and the Supernova Cosmology Project's findings in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

The CLASH survey is led by Marc Postman of the Space Telescope Science Institute. The CLASH supernova project is co-led by Adam Riess of the Space Telescope Science Institute and Johns Hopkins University and Steven Rodney of Johns Hopkins University. Aiding with the analysis on this Hubble study are Curtis McCully of Rutgers University and Julian Merten and Adi Zitrin of the California Institute of Technology in Pasadena. Lead author of the paper was Brandon Patel.

The Supernova Cosmology Project included Jakob Nordin and Saul Perlmutter and others who worked on the supernovae analysis are David Rubin of Florida State University in Tallahassee and Greg Aldering of Lawrence Berkeley National Lab.

Image credit: NASA, ESA, S. Perlmutter (UC Berkeley, LBNL), A. Koekemoer (STScI), M. Postman (STScI), A. Riess (STScI/JHU), J. Nordin (LBNL, UC Berkeley), D. Rubin (Florida State), and C. McCully (Rutgers University)

Links

• Images of Hubble
• NASA Press Release

Contacts

Brandon Patel
Rutgers University
New Brunswick, United States
Tel: +1 848-445-8980
Email: bpatel02@physics.rutgers.edu

Jakob Nordin
Lawrence Berkeley National Laboratory
Berkeley, United States
Tel: +1 510-486-5218
Email: jnordin@lbl.gov

Jean-Paul Kneib
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Lausanne, Switzerland
Tel: +33 695 795 392
Email: jean-paul.kneib@epfl.ch

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching, Germany
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Email: gbladon@partner.eso.org