우주 초기, 왜소은하들에서 발생한 폭발적인 별 생성을 연구하다.

 

Credit: NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)

 

사진1> 이 사진은 허블우주망원경이 샘플로 관측한 왜소은하들을 포함하고 있는 지역을 보여주고 있다.
이를 통해 우주 초기 별의 생성에 대한 비밀을 풀 수 있었다.
수천 개의 은하들 속에 숨겨져 있는 천체들은 빅뱅으로부터 20억년부터 60억년 사이 범주에 해당하는 우주의 초기 시대에 존재하는 희미한 왜소은하들이다.
이 시기는 우주의 대부분의 별들이 형성된 매우 중요한 시기에 해당한다.

이 은하들 중 몇몇은 폭발적으로 별의 생성을 지속하고 있으며 천문학자들은 우주 역사 중 중요한 시기에 해당하는 이 때에 이 은하들이 별의 생성에 얼마나 기여했는지를 추론해왔다.

이 사진은 '위대한 망원경들의 우주기원탐사를 위한 깊은 우주 관측(the Great Observatories Origins Deep Survey, GOODS)' 프로젝트의 일부로서 전체 사진 중 한 장에 지나지 않는다.

 

 

우주 초기, 왜소은하들에서 발생한 폭발적인 별 생성을 연구하다.

 

 

이들은 작은 천체일지 모르지만 왕성하게 별들을 만들어내는 박력을 가지고 있다.
허블 우주망원경을 이용한 새로운 관측 결과는 왜소은하들에서 폭발적으로 별들을 만들어내는 활동이 우주 역사의 초기에서 예상된 것보다 훨씬 더 많은 역할을 수행했음을 보여주고 있다.

 

비록 우주 전역에 존재하는 은하들은 여전히 새로운 별들을 만들어내고 있지만 이 별들이 주로 탄생한 시기는 빅뱅이후 20억년에서 60억년 사이 기간이다.
이러한 우주 초기시대에 대한 연구는 어떻게 이 별들이 만들어졌고, 빅뱅이후 은하들이 어떻게 성장하고 진화해 왔는지를 완벽하게 이해하기 위한 핵심 과정에 해당한다.

 

허블 WFC3로 수행된 새로운 연구는 천문학자들로 하여금 우주 초기의 왜소은하들을 샘플로 선정하여 엿보게 해줌으로써 이 중요한 시기에 대한 이해에 한 걸음 다가설 수 있게 해 주었는데 특별히 이 샘플에는 왕성하게 별들을 만들어내는 은하들이 선정되었다.

 

Credit: Image credit: NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts) Acknowledgement: H.Atek (EPFL, Switzerland) and J-P.Kneib (EPFL, Switzerland)

 

사진2> 사진에 강조되어 있는 은하들이 희미한 왜소은하들로서 이들은 빅뱅이후 20억년부터 60억년 사이에 위치하고 있다.
이 시기는 우주의 대부분의 별들이 형성된 매우 중요한 시기이다.

 

이들 폭발적으로 별들을 생성해내는 은하들은 맹렬한 기세로 별들을 만들어내고 있었는데, 이는 은하에서 예상되는 일반적인 별의 형성 비율을 훨씬 상회하는 속도였다.

이전 연구들은 폭발적으로 별들을 생성해 내는 은하들로서 중간 규모나 대규모의 질량을 가진 은하들에 초점을 맞춰왔으며 별들이 왕성하게 탄생하던 시기에 존재했던 수많은 왜소은하들은 고려의 대상에서 제외되어 있었다.

또한 예전에는 이처럼 멀리 떨어진 작은 은하들을 자세하게 들여다보고 연구하기가 불가능했었다.
천문학자들은 그닥 멀리 떨어지지 않은 작은 은하들이나, 멀리 떨어진 은하들의 경우는 대규모의 은하들만을 관측할 수 있었던 것이다.

 

WFC3의 고감도 적외선 탐사 능력과 독보적인 그리즘(회절격자 프리즘) 분광 모드[1]가 천문학자들로 하여금 멀리 떨어진 우주의 질량이 작은 왜소은하들을 엿볼 수 있게 해 주었으며 당시 왜소은하들 전반에 걸친 별의 형성이 폭발적으로 별들을 생성하는 은하들로서 작용하였음을 밝혀낼 수 있게 해 주었다.

 

 

 

Credit: NASA & ESA

 

사진3> 이 사진은 허블 우주망원경의 WFC3가 그리즘 분광 모드로 촬영한 데이터를 보여주고 있다.
그리즘(grism)은 회절격자(grating)와 프리즘(prism)을 합성한 단어로서 은하로부터 발생한 빛을 그 구성 색체로 분해하여 스펙트럼을 만들어낸다.
사진에서 각 은하의 연속체는 "무지개"와 같은 모양으로 보이고 있다.
천문학자들은 은하의 분광자료를 분석하여 이 빛이 은하의 수소가스로부터 복사되었음을 밝혀냈다.
만약 은하에서 별들이 지속적으로 생성되고 있다면 새로 탄생한 별의 강력한 복사가 수소가스를 가열시키면서 이로부터 빛을 뿜어내게 만든다.
수소가스로부터 복사된 빛은 적은 수의 매우 좁은 선들과 밝은 복사 선들을 방출한다.
초기 우주의 왜소은하들에서 발생한 복사선들이 희미하고 거의 보이지 않는 연속선들보다 훨씬 더 쉽게 구분된다.

 

이번 새로운 논문의 주 저자인 스위스 로잔 공과대학 하킴 아테크(Hakim Atek)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이미 폭발적으로 별들을 생성해내는 왜소은하들이 별생성 초기 시대에 지대한 공헌을 하고 있다고 생각해왔습니다.
그런데 이번에 처음으로 그 실제 효과를 측정할 수 있었던 것이죠.
이들은 우리 우주에서 대부분의 별들이 형성되던 시기에 놀랍도록 중요한 역할을 수행하고 있었음을 보여주고 있습니다."
 

이번 논문의 공동저자인 스위스 로잔 공과대학의 얀-폴 크나이브(Jean-Paul Kneib)의 설명은 다음과 같다.
"이 은하들은 너무나도 빠르게 별들을 만들어내어 자신의 전체 질량의 2배에 맞먹는 별들을 고작 1억 5천만년만에 만들어냈습니다.
이 정도 질량의 별을 얻기 위해서라면 대부분의 보통 은하에서는 대략 10억년에서 30억년의 시간이 필요하답니다."
 

이번 관측 결과는 은하의 질량과 별을 만들어내는 활동이 어떻게 연관되어 있는지에 대한 10여년에 걸친 연구에 중요한 정보를 제공하고 있으며
초기 우주에서 발생한 사건들에 대해 일관된 그림을 만들어낼 수 있도록 도와주고 있다.

게다가 이번 관측에서는 우리 우주에서 별들이 어떻게, 어디에서 형성되었는지에 대한 새로운 통찰도 보여주고 있으며 이러한 발견은 은하 진화의 비밀을 풀어내는데 확실한 도움이 될 것이다.

 

폭발적으로 별들을 생성해내는 상태에 있는 은하를 발견하는 것은 드문 일이다.
폭발적으로 별들을 생성해내는 작용은 은하간 충돌과 같은 특이한 사건의 결과이거나 다른 은하와의 중력상호작용의 결과 또는 초신성 폭발의 충격에 의한 결과이기 때문이다. .

 

이러한 은하들을 좀더 상세하게 연구하고, 이들이 어떻게 형성되었는지, 그리고 우주 초기에 어떻게 행동했는지를 이해함으로써 천문학자들은 이러한 폭발적인 별 생성의 원인에 대한 규명, 그리고 우주의 전시대에 걸쳐 은하가 어떻게 진화해왔는지를 더 잘 알 수 있기를 희망하고 있다.

 

이번 관측에 의해 작성된 논문은 2014년 6월 19일 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal) 온라인 판에 개재되었다.

 

 

각주

[1] 그리즘(the Grism)은 은하의 빛을 분광해내어 그 밝기와 색체의 분포를 분석할 수 있게 해 준다.
이를 통해 과학자들은 그 화학적 조성과 지구로부터의 거리 등에 대해 추론할 수 있게 되는데 이는 허블과 같이 우주에 위치한 망원경으로부터 얻은 상세한 자료가 없다면 불가능한 일이다.

 
* 출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 6월 19일 발표 뉴스
           http://www.spacetelescope.org/news/heic1412/

 

참고 : 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>

Small but significant

Astronomers use Hubble to study bursts of star formation in the dwarf galaxies of the early Universe

19 June 2014

They may only be little, but they pack a star-forming punch: new observations from the NASA/ESA Hubble Space Telescope show that starbursts in dwarf galaxies played a bigger role than expected in the early history of the Universe.

Although galaxies across the Universe are still forming new stars, the majority of the stars were formed between two and six billion years after the Big Bang. Studying this early epoch of the Universe's history is key in order to fully understand how these stars formed, and how galaxies have grown and evolved since.

A new study using data from Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) has allowed astronomers to take a new step forward in understanding this crucial era by peering at a sample of dwarf galaxies in the early Universe and, in particular, a selection of starburst galaxies within this sample. These starburst galaxies form stars at a furiously fast rate, far above the "normal" star formation rate expected of galaxies. Previous studies of starburst galaxies have focussed on analysing mid-range or high-mass galaxies, leaving out the huge number of dwarf galaxies that existed in this era of prolific star formation.

It was not previously possible to study these distant small galaxies closely. Astronomers could only observe small galaxies at smaller distances or larger galaxies at greater distances. The highly sensitive infrared capabilities of WFC3 and its unique grism spectroscopy mode [1] have now allowed astronomers to peer at low-mass dwarf galaxies in the distant Universe and to deduce the contribution of the starburst galaxies to the total star formation within dwarf galaxies at that time.

"We already suspected that dwarf starbursting galaxies would contribute to the early wave of star formation, but this is the first time we’ve been able to measure the effect they actually had," says Hakim Atek of the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Switzerland, lead author of the new paper. "They appear to have had a surprisingly significant role to play during the epoch where the Universe formed most of its stars."

"These galaxies are forming stars so quickly that they could actually double their entire mass of stars in only 150 million years — this sort of gain in stellar mass would take most normal galaxies 1-3 billion years," adds co-author Jean-Paul Kneib, also of EPFL.

This result contributes to a decade-long investigation to understand the links between galaxies' mass and their star-forming activity, and helps to paint a consistent picture of events in the early Universe.

As well as adding new insight into how and where the stars in our Universe formed, this new finding will certainly help to unravel the secrets of galactic evolution. It is unusual to find a galaxy in a state of starburst, implying that they are the result of some strange incident, such as a merger, a tidal interaction with another galaxy, or the shockwave from a supernova. By studying these galaxies more closely and understanding how they formed and behaved in their earliest years, astronomers hope to discover the cause of these violent bursts and learn more about galactic evolution throughout the Universe.

A paper based on this research will be published online in The Astrophysical Journal on 19 June 2014.

Notes

[1] The grism splits up the light from the galaxies, revealing the distribution of brightness and colour in the Universe. This allows scientists to deduce facts about their chemical composition and distance from Earth that would not be possible without such a detailed view from Hubble's space-based perspective.

Notes for editors

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

[1] The international team of astronomers in this study consists of Hakim Atek (EPFL, Switzerland); Jean-Paul Kneib (EPFL, Switzerland); Camilla Pacifici (Yonsei University Observatory, Republic of Korea); Matthew Malkan (University of California, USA); Stephane Charlot (Institut d’Astrophysique de Paris,France); Janice Lee(Space Telescope Science Institute,USA); Alejandro Bedregal ( Minnesota Institute for Astrophysics, USA); Andrew J. Bunker (University of Oxford, UK); James W. Colbert (Spitzer Science Center, USA); Alan Dressler (Observatories of the Carnegie Institution for Science, USA); Nimish Hathi(Aix Marseille University, France); Matthew Lehnert (Institut d’Astrophysique de Paris, France); Crystal L. Martin (Dep’t. of Physics, Univ. of Calif, USA); Patrick McCarthy (Observatories of the Carnegie Institution for Science, USA); and Marc Rafelski (Spitzer Science Center, USA); Nathaniel Ross (University of California, USA); Brian Siana (University of California Riverside, USA); and Harry I. Teplitz (Caltech, USA)

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Image credit: NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)

Acknowledgement: H.Atek (EPFL, Switzerland) and J-P.Kneib (EPFL, Switzerland)

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Hakim Atek
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Sauverny, Switzerland
Tel: +41 78 722 9026
Email: hakim.atek@epfl.ch

Jean-Paul Kneib
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Sauverny, Switzerland
Tel: +41 22 3792473
Cell: +33 695 795 392
Email: jean-paul.kneib@epfl.ch

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