2014. 7. 29. 23:06ㆍ3. 천문뉴스/ESA 허블
사진1> 이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 MCS J0416.1-2403 은하단의 사진이다.
이 은하단은 허블 프론티어 필드(the Hubble Frontier Fields) 프로그램에 의해 연구가 진행 중인 6개 은하단 중 하나이다.
이 프로그램은 거대 은하단 내의 질량분포 분석과 은하단이 만들어내는 중력렌즈 효과를 이용하여 훨씬 더 멀리 존재하는 먼 우주를 관측하는 목표를 가지고 있다.
연구팀은 이 은하단에서 은하단의 거대 중력에 의해 그 빛이 구부러지고 확대된 훨씬 멀리 존재하는 은하의 사진 200여개를 연구하였으며 이를 허블의 데이터와 연결하여 이전에 수행되었던 어떤 연구들보다도 훨씬 정확한 은하단의 전체 질량을 측정해낼 수 있었다.
멀리 떨어진 은하단에 대한 가장 정밀한 질량분포 지도를 만들어내다.
천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 은하단의 질량을 지금까지의 그 어떤 관측보다도 훨씬 정확하게 측정해냈다.
허블 프론티어 필드 관측 데이터를 이용하여 만들어진 이 질량지도는 거대한 질량을 가진 은하단 MCS J0416.1-2403 내의 질량 분포를 보여주고 있는데 그 질량의 총합은 우리 태양의 160조배에 달한다.
이 질량 분포 지도의 세부 내역을 밝혀줄 수 있었던 것은 허블 우주망원경의 유례없는 고화질 데이터와 강한 중력 렌즈 현상으로 알려져 있는 우주적 현상 덕분에 가능했다.
우주의 멀리 떨어진 천체에서 질량분포 및 질량을 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.
천문학자들이 이를 위해 자주 사용하는 기술은 멀리 떨어진 천체들로부터 발생한 빛이 중력 렌즈 효과를 일으키는 양상을 이용하여 거대 은하단의 내용물을 탐사하는 방법이다.
이 은하단은 야심적인 천체 관측 프로그램인 허블 프론티어 필트의 주요 목표 중 하나로서 사진에 인상적인 모습을 보여주고 있는 MCS J0416.1-2403 은하단을 포함하여 여섯개의 은하단을 관측하는 것을 그 목표로 하고 있다.[1]
우주의 거대 질량 덩어리들은 주변의 시공간을 구부리고 왜곡시킨다.
이때 렌즈와 같은 작용이 일어나면서 훨씬 멀리 떨어진 천체로부터 발생한 빛을 확대시키고 구부리게 되는 것이다[2].
그러나 거대한 질량에도 불구하고 은하단이 주변에 만들어내는 이 효과는 일반적으로 대단히 미미하다.
대부분의 경우에 있어 발생하는 '약한 중력렌즈 현상'으로 알려져 있는 이 효과는 멀리 떨어져 있는 천체를 아주 약간만 타원형으로 만들거나, 하늘 전반에 걸쳐 스며든 모습을 연출해낸다.
그러나 은하단이 대단히 크고 충분한 고밀도를 가지고 있으며 멀리 떨어진 천체가 정확하게 정렬해 있는 경우 이 효과는 훨씬더 드라마틱한 효과를 연출해낸다.
이때 일반적인 은하들의 모습은 마치 고리처럼 보이거나 아치를 띤 모습을 보이게 되는데 이 모습은 동일한 사진 내에서 여러 번 반복되어 나타나기도 한다.
이러한 효과가 바로 '강한 중력렌즈 효과'로 알려져 있으며 허블 프론티어 필드 프로그램에서 목표로 하고 있는 6개 은하단의 주위에서 바로 이러한 현상이 발견되는데, 허블 데이터를 이용하여 MCS J0416.1-2403의 중력 분포 지도를 만드는데도 이 효과가 사용되었다.
이번 새로운 프론티어 필드 논문의 주 저자이자 영국 더럼대학교와 남아프리카 천체물리학 및 우주론 연구소의 마틸드 자우잭(Mathilde Jauzac)의 설명은 다음과 같다.
"이 데이터는 우리로 하여금 매우 희미한 천체들을 볼 수 있게끔 해 주고 있으며 이전에 관측했던 그 어떤 데이터보다도 훨씬 강력한 중력렌즈 현상을 식별할 수 있게끔 해주고 있습니다.
비록 강한 중력렌즈 현상이 멀리 위치한 은하를 확대해 주고 있긴 하지만 이 천체들은 여전히 너무나 멀리 있고, 너무나 희미한 천체들입니다.
그러나 이 데이터들은 우리가 엄청나게 멀리 떨어져 있는 은하들을 식별할 수 있음을 말해주고 있죠.
우리는 이 은하단에서 이전에 수행되었던 연구들에 비해 4배나 많은 강력한 중력렌즈 현상이 존재하고 있음을 알게 되었습니다."
허블 ACS를 이용하여 천문학자들은 은하단 주변에서 51개의 새로운 은하의 형상을 식별하였다.
이는 이전에 관측된 것보다 4배나 많은 숫자이며 중력렌즈에 의해 식별된 은하의 총 수를 68개로 늘려주었다.
은하들은 여러번 반복되어 보이기 때문에 사진 전반에 걸쳐 볼 수 있는 강한 중력 렌즈의 사진은 개개로 보면 거의 200개에 육박한다.
사진2> 허블 우주망원경으로 촬영한 MCS J0416.1-2403은하단에서 이번 연구에 사용된 중력렌즈 부분들이 붉은 색 원으로 표시되어 있다.
이러한 효과는 자우잭과 그녀의 동료들로 하여금 은하단 내에 존재하는 눈에 보이는 물질들과 암흑물질들의 분포를 계산할 수 있게 해 주었고, 매우 제한된 중력 지도를 만들어낼 수 있게 해 주었다[3].
연구팀의 일원인 얀-폴(Jean-Paul)의 설명은 다음과 같다.
"비록 20년 전부터 강력한 중력렌즈 현상을 이용하여 은하단의 질량 지도를 그리는 방법을 알고는 있었지만, 충분히 깊이가 있고, 해상도가 높은 관측을 수행하기 위한 망원경을 얻는데는 오랜 시간이 걸렸고, 우리의 모델은 MCS J0416.1-2403과 같은 복잡한 천체를 유례없이 세세하게 관측하여 그 지도를 그려내는 데 충분할만큼 정교한 자료가 되었습니다. "
57개의 가장 신뢰가 높고 명확하게 렌즈현상을 보이는 은하들을 연구함으로써 천문학자들은 MCS J0416.1-2403 내의 일반물질과 암흑물질의 질량분포를 모델화할 수 있었다.
자우잭은 자신들의 지도가 이 은하단에 대해 수행된 이전의 연구보다 2배 이상 정교화된 결과를 보여주고 있다고 덧붙였다.
MCS J0416.1-2403의 총 질량은 - 직경 65만 광년의 폭을 모델화한 데이터에 따르면 - 태양 질량의 160조배에 달하고 있음을 밝혀냈다.
이러한 측정치는 다른 은하단 지도보다 훨씬 더 높은 정확도를 가지고 있으며 지금까지 만들어진 지도 중 가장 높은 정확성을 자랑하고 있다[4].
이처럼 은하단 내의 질량 분포를 보다 정확하게 지목해냄으로써 천문학자들은 높은 정확도로 시공간의 휘어진 정도를 측정할 수 있다.
얀-폴 크나이프(Jean-Paul Kneib)의 설명은 다음과 같다.
"프론티어 필드의 관측과 중력 렌즈 기술은 매우 멀리 떨어진 천체의 특성을 정확하게 측정하는 방법을 개척해주었습니다.
- 이번 경우 은하단은 너무나 멀리 떨어져 있어 그 빛이 우리까지 도달하는데는 45억년 정도가 소요되죠.
그러나 우리는 여기서 멈추지 않을 겁니다.
완전한 질량 지도를 얻기 위해 우리는 측정 자료에 약한 중력렌즈 현상도 포함시킬 필요가 있습니다.
강한 중력 렌즈 작용이 은하단의 안쪽 중심부의 질량에 대한 대강의 측정치를 얻을 수 있게 해줌에 반해 약한 중력 렌즈 현상은 은하단의 중심을 둘러싸고 있는 주변의 질량에 대한 매우 가치있는 정보를 제공해 줍니다."
연구팀은 허블 울트라 딥 필드의 데이터를 이용하여 이 은하단에 대한 연구를 지속할 것이다.
약한 중력렌즈 현상은 은하단의 안쪽 중심부의 질량 뿐만 아니라 외곽 주변부의 질량에 대한 정보도 제공해 줄 것이며 이로부터 은하단 주변의 하부구조에 대한 탐사도 가능하게 해 줄 것이다.
연구팀은 또한 은하단의 구성물질을 식별하기 위해 고온 가스의 X선 측정 자료와 적색편이 분광 분석자료의 이점을 활용하여 암흑물질과 가스, 그리고 별의 분포를 측정하게 될 것이다[5].
이러한 데이터를 함께 사용함으로써, 질량 분포 지도를 보다 세밀하게 개선해 나갈 수 있으며 이를 통해 은하단 내부 은하들 각각의 이동속도를 포함한 은하단의 입체 지도를 볼 수 있게 될 것이다.
이 연구는 이 은하단의 진화와 역사를 이해할 수 있은 길을 여는 활동이라 할 수 있다.
이번 연구 결과는 2014년 7월 24일 월간 왕립학회지(the Royal Astronomical Society) 온라인판에 개재되었다.
사진3> 다양하게 나타나는 푸른색조는 중력렌즈로 알려진 현상에 의해 대상이 확대되어 나타나는 현상을 이용하여 만들어낸 중력 분포 지도를 표시하고 있다.
각주
[1] 이 은하단은 MACS J0416.1-2403 으로도 알려져 있다.
[2] 우주의 거대한 물체가 시공간을 왜곡시킨다는 것은 앨버트 아인슈타인의 상대성이론에서 예견한 사항 중 하나이다.
[3] 중력렌즈 현상은 천문학자들로 하여금 암흑물질을 찾아낼 수 있게 해 주는 몇 안되는 방법 중 하나이다.
암흑물질은 우주에 존재하는 물질의 3/4를 차지하고 있는 물질이며 일체의 복사나 반사가 없기 때문에 직접 관측은 불가능하다.
이 물질은 다른 물질들에 대해 일체의 마찰없이 통과가 가능하다.(이를 무충돌성(collisionless)이라 한다.)
이 물질은 오직 중력과만 상호작용을 하며 그 존재는 중력효과에 의해서만 추론 가능하다.
[4] 이번 측정치의 불확정 비율은 대략 0.5%이다. 이는 태양 질량의 1조배 정도에 해당한다.
이러한 결과는 물론 그리 정확성이 높지 않게 보일른지도 모르지만 그간의 측정치로 보건데 확실히 정확한 수치이다.
[5] 은하단 내 고온 가스로부터 발생하는 X선 측정 데이터를 얻기 위해서는 찬드라 X선 망원경이 사용되었으며, 적색편이 분광분석 데이터를 측정하는데는 지상에 위치한 천문대의 측정 자료들이 사용되었다.
출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 7월 24일 발표 뉴스
http://www.spacetelescope.org/news/heic1416/
참고: 허블 울트라 딥필드(HUDF, Hubble Ultra Deep Field)
https://big-crunch.tistory.com/8321764
https://big-crunch.tistory.com/12345599
https://big-crunch.tistory.com/12345913
허블 익스트림 딥 필드(the eXtreme Deep Field, XDF)
https://big-crunch.tistory.com/12346256
https://big-crunch.tistory.com/12346281
허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields)
https://big-crunch.tistory.com/12346870
https://big-crunch.tistory.com/12347024
참고 : MCS J0416.1-2403 은하단을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 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>
New mass map of a distant galaxy cluster is the most precise yet
Stunning new observations from Frontier Fields
24 July 2014
Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have mapped the mass within a galaxy cluster more precisely than ever before. Created using observations from Hubble's Frontier Fields observing programme, the map shows the amount and distribution of mass within MCS J0416.1–2403, a massive galaxy cluster found to be 160 trillion times the mass of the Sun. The detail in this mass map was made possible thanks to the unprecedented depth of data provided by new Hubble observations, and the cosmic phenomenon known as strong gravitational lensing.
Measuring the amount and distribution of mass within distant objects in the Universe can be very difficult. A trick often used by astronomers is to explore the contents of large clusters of galaxies by studying the gravitational effects they have on the light from very distant objects beyond them. This is one of the main goals of Hubble's Frontier Fields, an ambitious observing programme scanning six different galaxy clusters — including MCS J0416.1–2403, the cluster shown in this stunning new image [1].
Large clumps of mass in the Universe warp and distort the space-time around them. Acting like lenses, they appear to magnify and bend light that travels through them from more distant objects [2].
Despite their large masses, the effect of galaxy clusters on their surroundings is usually quite minimal. For the most part they cause what is known as weak lensing, making even more distant sources appear as only slightly more elliptical or smeared across the sky. However, when the cluster is large and dense enough and the alignment of cluster and distant object is just right, the effects can be more dramatic. The images of normal galaxies can be transformed into rings and sweeping arcs of light, even appearing several times within the same image. This effect is known as strong lensing, and it is this phenomenon, seen around the six galaxy clusters targeted by the Frontier Fields programme, that has been used to map the mass distribution of MCS J0416.1–2403, using the new Hubble data.
"The depth of the data lets us see very faint objects and has allowed us to identify more strongly lensed galaxies than ever before," explains Mathilde Jauzac of Durham University, UK, and Astrophysics & Cosmology Research Unit, South Africa, lead author of the new Frontier Fields paper. "Even though strong lensing magnifies the background galaxies they are still very far away and very faint. The depth of these data means that we can identify incredibly distant background galaxies. We now know of more than four times as many strongly lensed galaxies in the cluster than we did before."
Using Hubble's Advanced Camera for Surveys, the astronomers identified 51 new multiply imaged galaxies around the cluster, quadrupling the number found in previous surveys and bringing the grand total of lensed galaxies to 68. Because these galaxies are seen several times this equates to almost 200 individual strongly lensed images which can be seen across the frame. This effect has allowed Jauzac and her colleagues to calculate the distribution of visible and dark matter in the cluster and produce a highly constrained map of its mass [3].
"Although we’ve known how to map the mass of a cluster using strong lensing for more than twenty years, it’s taken a long time to get telescopes that can make sufficiently deep and sharp observations, and for our models to become sophisticated enough for us to map, in such unprecedented detail, a system as complicated as MCS J0416.1–2403," says team member Jean-Paul Kneib.
By studying 57 of the most reliably and clearly lensed galaxies, the astronomers modelled the mass of both normal and dark matter within MCS J0416.1-2403. "Our map is twice as good as any previous models of this cluster!" adds Jauzac.
The total mass within MCS J0416.1-2403 — modelled to be over 650 000 light-years across — was found to be 160 trillion times the mass of the Sun. This measurement is several times more precise than any other cluster map, and is the most precise ever produced [4]. By precisely pinpointing where the mass resides within clusters like this one, the astronomers are also measuring the warping of space-time with high precision.
"Frontier Fields' observations and gravitational lensing techniques have opened up a way to very precisely characterise distant objects — in this case a cluster so far away that its light has taken four and a half billion years to reach us," adds Jean-Paul Kneib. "But, we will not stop here. To get a full picture of the mass we need to include weak lensing measurements too. Whilst it can only give a rough estimate of the inner core mass of a cluster, weak lensing provides valuable information about the mass surrounding the cluster core."
The team will continue to study the cluster using ultra-deep Hubble imaging and detailed strong and weak lensing information to map the outer regions of the cluster as well as its inner core, and will thus be able to detect substructures in the cluster's surroundings. They will also take advantage of X-ray measurements of hot gas and spectroscopic redshifts to map the contents of the cluster, evaluating the respective contribution of dark matter, gas and stars [5].
Combining these sources of data will further enhance the detail of this mass distribution map, showing it in 3D and including the relative velocities of the galaxies within it. This paves the way to understanding the history and evolution of this galaxy cluster.
The results of the study will be published online in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on 24 July 2014.
Notes
[1] The cluster is also known as MACS J0416.1–2403.
[2] The warping of space-time by large objects in the Universe was one of the predictions of Albert Einstein’s theory of general relativity.
[3] Gravitational lensing is one of the few methods astronomers have to find out about dark matter. Dark matter, which makes up around three quarters of all matter in the Universe, cannot be seen directly as it does not emit or reflect any light, and can pass through other matter without friction (it is collisionless). It interacts only by gravity, and its presence must be deduced from its gravitational effects.
[4] The uncertainty on the measurement is only around 0.5%, or 1 trillion times the mass of the sun. This may not seem precise but it is for a measurement such as this.
[5] NASA's Chandra X-ray Observatory was used to obtain X-ray measurements of hot gas in the cluster and ground based observatories provide the data needed to measure spectroscopic redshifts.
Notes for editors
The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.
The international team of astronomers in this study consists of M. Jauzac (Durham University, UK and Astrophysics & Cosmology Research Unit, South Africa); B. Clement (University of Arizona, USA); M. Limousin (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France and University of Copenhagen, Denmark); J. Richard (Université Lyon, France); E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France); H. Ebeling (University of Hawaii, USA); H. Atek (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland); J.-P. Kneib (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland and Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France); K. Knowles (University of KwaZulu-Natal, South Africa); P. Natarajan (Yale University, USA); D. Eckert (University of Geneva, Switzerland); E. Egami (University of Arizona, USA); R. Massey (Durham University, UK); and M. Rexroth (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland).
More information
Image credit: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields
Acknowledgement: Mathilde Jauzac (Durham University, UK and Astrophysics & Cosmology Research Unit, South Africa) and Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland)
Links
- Images of Hubble
- Paper in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
- Science paper
- University of Hawaii Institute for Astronomy press release
Contacts
Mathilde Jauzac
Durham University, Institute for Computational Cosmology
Durham, United Kingdom
Tel: +33 6 52 67 15 39 (France)
Cell: +44 7445 218614 (UK)
Email: mathilde.jauzac@dur.ac.uk
Jean-Paul Kneib
École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny
Versoix, Switzerland
Tel: +41 22 3792473
Cell: +33 695 795 392
Email: jean-paul.kneib@epfl.ch
Eric Jullo
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Marseille, France
Tel: +33 4 91 05 5951
Email: eric.jullo@lam.fr
Johan Richard
Centre de Recherche Astronomique de Lyon, Observatoire de Lyon
Lyon, France
Tel: +33 478 868 378
Email: johan.richard@univ-lyon1.fr
Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +44 7816291261
Email: gbladon@partner.eso.org
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