가장 멀리 떨어진 중력렌즈은하의 기록 경신

Credit: NASA, ESA, K.-V. Tran (Texas A&M University), and K. Wong (Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics)

 

사진1> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 지금까지 발견된 가장 멀리 떨어진 중력렌즈 은하를 보여주고 있는 사진이다.
무거운 질량을 가진 이 중력렌즈의 강력한 중력이 뒷편에 위치한 훨씬 더 멀리 떨어진 은하의 빛을 확대하고 있었던 것이다.
중력렌즈로서 작용하는 거대 타원은하가 왼쪽 확대 사진에서 붉은 천체로 보인다.
이 은하의 붉은 색은 타워은하 내에 존재하는 늙은 별들로부터 나오는 것이다.
이 은하는 96억광년 거리에 위치하고 있으며 IRC 0218 이라는 은하단에서 가장 밝은 은하들 중 하나이다.
배경 사진은 이 은하를 둘러싼 전체 영역을 보여주고 있다.
확대 사진 속에서 상단 우측과 하단 좌측에 보이는 밝은 빛의 거품들이 타원은하 뒷편에 훨씬 더 멀리 위치하는 나선은하의 빛이 구부러지고 확대된 것이다.

이 타원은하의 거대한 질량이 주변에 거대한 중력장을 형성하여 자신을 통과하는 빛을 굴절되게 만드는데 이는 광학렌즈가 상의 모습을 구부리는 것과 같은 이치이다.
중력렌즈현상이라 불리는 이 현상은 너무나 희미하여 가장 거대한 망원경으로도 관측이 불가능한 멀리 떨어진 천체의 모습을 확대시키고 더 밝게 만드는 작용을 한다.
천문학자들은 이 덩어리진 구조물들이 지구로부터 107억광년 떨어진 하나의 은하로부터 나온 빛이라는 것을 결정짓기 위해 분광분석 데이터를 필요로 했다.
오른쪽 확대 사진은 훨씬 멀리 떨어진 이 나선은하의 빛에서 붉은 색의 타원은하 이미지를 제외한 사진이다.
갓 태어난 별로부터 뿜어져 나오는 빛이 이 은하를 푸른색으로 빛나게 만들어주고 있다.
상단 오른쪽의 하얀색 지역은 아마도 별들이 생성되고 있는 지역일 것으로 보인다.
이 사진은 허블 ACS가 촬영한 가시광선과 WFC3가 촬영한 근적외선 데이터를 합성한 것이다.

 

허블이 초기 우주의 단서를 보여주는 가장 멀리 떨어진 중력렌즈 은하를 발견해내다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 엄청난 규모를 가진 타원은하가 만들어낸 가장 멀리 떨어진 중력렌즈 천체를 발견해냈다.
사진에 보이는 타원은하는 96억년 이전에 존재하던 타원은하로서 이는 기존 기록보다 2억년 더 멀리 떨어진 천체이다.
(블로그쥔장 주 : 기존에 가장 멀리 떨어진 중력렌즈 천체에 대한 내용은 다음의 링크를 참고하세요 :

https://big-crunch.tistory.com/12346861 )

 

이러한 "렌즈"은하들은 대단히 큰 질량을 가지고 있어 그 중력이 더 멀리 떨어진 천체로부터 발생한 빛을 구부리거나 확대시키는 작용을 하는데
이러한 현상을 일컬어 중력렌즈 현상이라 한다.

 

이 우주 렌즈의 뒷편에 위치하고 있는 천체는 매우 작은 나선은하로서 빠른 속도로 별의 생성을 지속하고 있는 은하이다.
이 나선은하로부터 발생한 빛은 107억년이 지나서야 우리에게 도착하였다.

 

이와 같이 멀리 떨어진 천체가 우연히 발생한 정렬에 의해 그 모습을 드러내는 것은 대단히 드문 일이다.
이처럼 멀리 떨어진 채로 렌즈 작용을 수행하는 은하들은 갓태어난 초기 우주의 어린 천체들이 어떻게 오늘날 암흑물질에 의해 장악되고 있는 무거운 은하들로 성장하는지에 대한 통찰을 제공해 주게된다.
암흑물질은 우리 눈에 보이지는 않으나 우주 질량의 상당부분을 차지하고 있는 질량체에 해당한다.

 

이번 연구의 수석 연구원인 텍사스 A&M 대학의 킴-바이 트란( Kim-Vy Tran)의 설명은 다음과 같다.
"90억년 이상 멀리 떨어진 초기 우주를 관측할 때, 이처럼 은하와 은하가 정렬하면서 만들어지는 중력렌즈 현상을 발견하리라고 기대하지는 않습니다.
초기 우주에서 두 개 은하들이 정확히 정렬해 서 있는 것은 매우 어려운 일이죠.
돋보기를 당시 가까이에 들고 서 있으면서 이를 멀리 움직인다고 가정해 보세요.
당신이 팔길이만큼 돋보기를 떨어뜨린채로 돋보기를 들여다볼 때 확대된 물체를 볼 확율은 높습니다.
그러나 그 돋보기가 방 반대편에 위치한다면 당신이 이 돋보기를 통해 다른 물체가 정확하게 도열해 선 양상을 볼 확율은 훨씬 줄어들게 되죠."

 

연구팀의 일원인 대만 시니카 천문 천체물리 연구소의 캐네스 웡(Kenneth Wong)과 셰리 수유(Sherry Suyu)는 이러한 정렬 양상이 만들어낸 중력렌즈를 이용하여 이 은하가 뒷편에 위치하는 은하의 빛을 구부리는 강도를 측정함으로써, 암흑물질을 포함한 거대 은하의 총질량을 측정하였다.

 

앞쪽에 위치한 이 타원은하의 질량은 우리 태양의 1800억배였으며 이러한 질량은 이 시대에 존재하는 은하로서는 엄청나게 큰 질량을 가진 은하에 해당한다.
이 은하는 또한 IRC 0218이라고 명명된 멀리 떨어진 은하단에서 가장 밝은 빛을 내는 은하중 하나이다.

 

사진2> IRC 0218 은하단의 사진  Credit: NASA, ESA, K.-V. Tran (Texas A&M University), and K. Wong (Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics)

 

 

사진 3>중력렌즈로 작용하는 타원은하의 확대사진  Credit: NASA, ESA, K.-V. Tran (Texas A&M University), and K. Wong (Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics)

 

 

이번 논문의 제 1저자인 웡의 설명은 다음과 같다.
"지금까지 우리에게 알려진 중력렌즈 은하들은 백여개에 달합니다만, 이들 대부분은 우주적 견지에서 보면 상대적으로 우리와 가까운 거리에 위치하고 있습니다. 

이처럼 멀리 떨어진 렌즈 은하를 발견한다는 것은 매우 특별한 일입니다.
왜냐하면 우리는 이러한 은하들로부터 머나먼 과거 은하들이 가지고 있는 암흑물질들에 대해 알 수 있기 때문이죠.
이처럼 멀리 떨어진 은하의 렌즈 현상에 대한 분석 자료를 가까운 곳에 존재하는 렌즈 천체들과 비교함으로써, 우리는 암흑물질의 분포가 어떻게 변화되어 왔는지를 이해할 수 있게 된답니다."

 

비록 이 타원은하가 무거운 은하이긴 하지만 이 은하의 질량은 오늘날 우리가 관측하는 다른 은하들만큼 무겁지는 않다.
예를 들어 우리 은하의 질량은 이번에 발견된 타원은하보다 3~4배 이상의 질량을 가지고 있다.
우리 은하 질량의 상당 부분은 암흑물질이 가지고 있다.
그러나 중력렌즈 작용을 수행하는 이 은하의 경우 암흑물질이 가지고 있는 질량은 더 낮은 수준이다.

 

연구팀의 일원인 수유의 설명은 다음과 같다.
"중력렌즈 작용을 수행하는 이 타원은하의 암흑물질의 양이 특이하게 적게 보이는 것은 매우 놀라운 일입니다.
우리와 가까운 거리에 위치하는 다른 타원은하들의 경우 훨씬 더 많은 암흑 물질들을 가지고 있으며 별들이 몰려 있는 양상 역시 이 타원은하와는 다른 양상을 보이고 있죠."

 

연구팀은 이 타원은하가 다른 이웃은하들과의 충돌을 통해 이후 90억년 동안 별들과 암흑물질이 계속 축적되어 몸집을 불려왔을 것으로 생각하고 있다.

 

트란의 설명은 다음과 같다.
"최근의 연구는 은하들이 성장을 계속하면서 별보다는 훨씬더 많은 양의 암흑 물질들을 모아왔을 것으로 생각하고 있습니다.
천문학자들은 은하가 장구한 시간동안 암흑물질과 일반물질을 동일하게 쌓아왔을 것으로 가정해왔죠.
그러나 이제 우리는 일반물질에 대한 암흑물질의 변화 양상을 알고 있죠.
이번에 관측된 중력렌즈 은하는 결국 우리 은하보다 훨씬 무거운 은하가 되었을 것이며 암흑 물질 역시 훨씬 더 많이 보유하고 있을 것입니다."
 

트란과 그녀의 연구팀은 IRC 0218을 포함한 두 개의 멀리 떨어진 은하단에서 별의 생성에 대한 연구를 진행중에 있었으며 이번 중력 렌즈 은하를 우연히 마주치게 되었다.

 

W.M.켁 천문대로부터 취득한 분광분석 데이터를 분석하는 동안 트란은 이 무겁고 밝게 빛나는 타원은하에서 보이는 뜨거운 수소 가스의 분광 자료에 주목했다.

뜨거운 수소 가스는 별의 탄생을 의미하는 지표였기 때문에 이 가스의 탐지는 매우 놀라운 사건이었다.

 

이전의 관측 결과들은 거대한 타원은하들은 모두 오래된 은하들이고 이미 오래 전에 별들의 생성이 완료된 조용한 은하라는 사실을 알려주고 있었다.
또다른 수수께끼의 발견은 이 타원은하보다도 훨씬 멀리 떨어져 있는 갓 태어난 별들이 발견되었다는 것이다.

 

트란은 이러한 관측 결과가 매우 놀랍고 우려되는 결과였으며, 자신들의 관측에 뭔가 심각한 문제가 있는 것일 거라고 생각했다고 한다.
천문학자들은 허블우주망원경이 청색 파장을 이용하여 촬영한 데이터에서 갓 태어난 별들의 빛을 찾아내면서 자신들이 실수를 저지른 것이 아니라는 사실을 깨닫게 되었다.

 

허블 ACS와 WFC3에 의해 촬영된 사진들은 이 거대한 타원은하 주위에 푸른색의 눈썹모양을 닮은 천체가 푸른점처럼 스며들어 있는 모습을 밝혀주었다.

트란은 이것이 타원은하의 뒷편에 자리잡은 보다 멀리 떨어진 은하가 뒤틀리며 확대된 모습임을 알아차렸다.
즉, 이것은 타원은하가 중력렌즈로서 작용하고 있다는 신호였던 것이다.

 

그러나 몇몇 팀원들은 이에 동의하지 않았다.
이들은 은하와 가까운 거리에 두 개의 천체가 있었으며 이들이 충돌하는 와중에 절단된 모습을 보이는 것이라 생각했다.

그러나 트란은 부분적인 증거만을 가지고 있었고, 보다 확실한 증거가 필요했다.

 

이 은하가 중력렌즈 천체라는 가설을 확증하기 위해 협력자인 예일 대학의 이브리나 몸체바(Ivelina Momcheva)는 허블 WFC3를 이용하여 근적외선 분광데이터를 축적하고 있는 3D-허블우주망원경 서베이로부터 획득한 허블 분광분석 데이터를 분석하였다.

그녀는 이 데이터를 허블의 대규모 심우주 탐사 프로그램인 CANDELS(the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey)로부터 획득한 자료들과 비교하였다.
여기에 좀더 상세한 자료를 얻기 위해 몸체바는 이 은하단을 관측한 허블의 아카이브 데이터를 추가하였다.
그리고 이 데이터에서 훨씬 멀리 떨어진 은하와 연관된 뜨거운 가스의 또다른 지문을 판별해냈다.

 

몸체바의 설명은 다음과 같다.
"우리는 중력렌즈로서 작용하는 은하와 훨씬 멀리 떨어진 은하로부터 발생한 빛들이 지상의 관측 데이터에서는 서로 섞여 있다는 것을 알게 되었습니다.
이것이 우리를 혼란에 빠뜨렸죠. 
켁 천문대의 분광분석자료는 이곳에서 뭔가 흥미로운 일이 진행중이라는 사실을 알려주었습니다.
그러나 허블의 고해상도 분광분석 자료를 통해서 우리는 중력렌즈로 작용하는 타원은하와 훨씬 더 멀리 떨어진 은하의 빛을 분리할 수 있었고 이를 통해 이 두 개 은하가 서로 다른 거리에 위치하고 있다는 사실을 알 수 있게 되었습니다.
허블의 관측 데이터는 또한 이 은하의 단서를 밝힐 수도 있게 해 주었습니다.
타원은하의 한쪽에는 밝은 아치가 나타나고 있었고, 다른 한 편에는 희미한 얼룩이 보이고 있었죠.
이 두  천체는 모두 멀리 떨어진 한 은하의 상이 왜곡되면서 나타난 것이었습니다.
우리는 이 사진과 분광데이터를 연계할 필요가 있었고 이로부터 수수께끼가 풀리게 된 것이죠" 
 

 

 

사진 4>중력렌즈에 의해 확대된 나선은하의 확대사진    Credit: NASA, ESA, K.-V. Tran (Texas A&M University), and K. Wong (Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics)

 

중력렌즈에 의해 그 정체를 드러낸 은하는 너무나 작고 멀리 떨어져 있어 허블우주망원경으로도 그 구조를 알기가 어려운 은하이다.
따라서 연구원들은 빛의 분포를 분석함으로써 그 구조를 재구축해냈고 이를 통해 이 은하가 나선형을 띠고 있다는 추론을 하게 되었다.

 

나선은하들은 초기에 훨씬 더 많이 분포하고 있었다.

허블의 관측 데이터는 또한 그 중심에 최소한 하나의 밝은 밀집지역이 존재한다는 것도 알려주었다.

 

연구팀은 밝은 지역이 새로운 별의 탄생을 보여주고 있는 지역이라고 생각했고, 갓 태어난 무거운 별들에 의해 뜨거운 수소 가스가 존재하는 것일 가능성이 가장 많다고 생각했다.

 

연구팀은 타원은하의 별들로부터 복사되어 나오는 빛의 양을 우선 측정함으로써, 암흑물질을 포함한 타원은하의 질량을 계산하였다.
이러한 질량치로부터 천문학자들은 일반 물질의 양과 동일한 모든 별의 질량을 계산할 수 있었다.
그리고 나서 연구원들은 이 은하가 뒷편에 존재하는 은하의 빛을 구부리고 왜곡시킬 수 있을만한 중력을 발생시키기 위해 얼마만큼의 질량이 필요한지를 계산함으로써 전체 질량을 측정해낼 수 있었다.
이렇게 해서 얻어진 전체 질량에서 별의 질량을 제외함으로써 은하 내에 존재하는 암흑물질의 질량을 결정할 수 이었던 것이다.

 

트란은 은하단 내에서 별의 형성에 대한 연구를 계속하고 있어서 더 많은 중력렌즈의 표시를 찾아낼 수 있을 것으로 보인다.
트란의 소감은 다음과 같다.
"저는 더 많은 중력렌즈 은하를 찾기 위한 노력을 계속할 것입니다.
그러나 중력렌즈로서 작용하는 은하들은 너무나 드물어서 이를 찾기 위해서는 수백개의 은하단을 탐사해야 한답니다.
바로 이것이 우주의 아주 작은 부분에서 찾아낸 이번 발견이 얼마나 놀라운 것인가를 알 수 있는 이유가 된답니다."

 

연구팀의 연구 논문은 7월 10일 발행된 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었다.

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 7월 31일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/33/full/

 

참고 : IRC 0218 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 : 중력렌즈를 비롯한 우주론과 관련된 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-33

Hubble Shows Farthest Lensing Galaxy Yields Clues to Early Universe

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have unexpectedly discovered the most distant cosmic magnifying glass, produced by a monster elliptical galaxy. Seen here as it looked 9.6 billion years ago, this monster elliptical galaxy breaks the previous record holder by 200 million years. These "lensing" galaxies are so massive that their gravity bends, magnifies, and distorts light from objects behind them, a phenomenon called gravitational lensing.

The object behind the cosmic lens is a tiny spiral galaxy undergoing a rapid burst of star formation. Its light has taken 10.7 billion years to arrive here. Seeing this chance alignment at such a great distance from Earth is a rare find.

Locating more of these distant lensing galaxies will offer insight into how young galaxies in the early universe built themselves up into the massive dark-matter-dominated galaxies of today. Dark matter cannot be seen, but it accounts for the bulk of the universe's matter.

"When you look more than 9 billion years ago in the early universe, you don't expect to find this type of galaxy-galaxy lensing at all," explained lead researcher Kim-Vy Tran of Texas A&M University in College Station. "It's very difficult to see an alignment between two galaxies in the early universe. Imagine holding a magnifying glass close to you and then moving it much farther away. When you look through a magnifying glass held at arm's length, the chances that you will see an enlarged object are high. But if you move the magnifying glass across the room, your chances of seeing the magnifying glass nearly perfectly aligned with another object beyond it diminishes."

Team members Kenneth Wong and Sherry Suyu of Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics (ASIAA) in Taipei, Taiwan, used the gravitational lensing from the chance alignment to measure the giant galaxy's total mass, including the amount of dark matter, by gauging the intensity of its lensing effects on the background galaxy's light. The giant foreground galaxy weighs 180 billion times more than our Sun and is a massive galaxy for its epoch. It is also one of the brightest members of a distant cluster of galaxies, called IRC 0218.

"There are hundreds of lens galaxies that we know about, but almost all of them are relatively nearby, in cosmic terms," said Wong, first author on the team's science paper. "To find a lens as far away as this one is a very special discovery because we can learn about the dark-matter content of galaxies in the distant past. By comparing our analysis of this lens galaxy to the more nearby lenses, we can start to understand how that dark-matter content has evolved over time."

Although the elliptical galaxy is hefty, it is not as massive as many of today's galaxies. Our Milky Way galaxy, for example, is three to four times more massive than the elliptical galaxy. Most of the Milky Way's mass is locked up in dark matter. The lensing galaxy, however, is underweight in terms of its dark-matter content.

"The unusually small amount of dark matter in this massive, elliptical, lensing galaxy is very surprising," Suyu said. "Other elliptical galaxies that are closer to us have much more dark matter and have inventories of stars that appear to be different from this super-distant lensing galaxy."

The team suspects that the lensing galaxy will continue to grow over the next 9 billion years, gaining stars and dark matter by cannibalizing neighboring galaxies. "Recent studies suggest that these massive galaxies gain more dark matter than stars as they continue to grow," Tran explained. "Astronomers had assumed that dark matter and normal matter build up equally in a galaxy over time. But now we know that the ratio of dark matter to normal matter changes with time. Our lensing galaxy will eventually become much more massive than the Milky Way and definitely will have more dark matter, too."

Tran and her team were studying star formation in two distant galaxy clusters, including IRC 0218, when they stumbled upon the gravitational lens. While analyzing spectrographic data from the W.M. Keck Observatory in Hawaii, Tran spotted a strong detection of hot hydrogen gas that appeared to arise from a massive, bright elliptical galaxy. The detection was surprising because hot hydrogen gas is a clear signature of star birth. Previous observations had shown that the giant elliptical was an old, sedate galaxy that had stopped making stars a long time ago. Another puzzling discovery was that the young stars were at a much farther distance than the massive elliptical. "I was very surprised and worried," Tran recalled. "I thought we had made a major mistake with our observations."

The astronomer soon realized she hadn't made a mistake when she looked at the Hubble images taken in blue wavelengths, which revealed the glow of fledgling stars. The images, taken by the Advanced Camera for Surveys and the Wide Field Camera 3, revealed a blue, eyebrow-shaped object next to a smeared blue dot around the big elliptical. Tran recognized the unusual features as the distorted, magnified images of a more distant galaxy behind the elliptical galaxy, the signature of a gravitational lens. But some team members were not convinced. They speculated that the two objects could be a nearby galaxy pair being shredded during a galaxy collision. Tran, however, only had a partial fingerprint; she needed conclusive evidence.

To confirm the gravitational-lens hypothesis, collaborator Ivelina Momcheva of Yale University, New Haven, Connecticut, analyzed Hubble spectroscopic data from the 3D-HST survey, a near-infrared spectroscopic survey taken with the Wide Field Camera 3. She compared that data with images from the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS), a large Hubble deep-sky program. To paint an even more detailed picture of the system, Momcheva also added archival Hubble observations of the galaxy cluster. The data turned up another fingerprint of hot gas connected to the more distant galaxy.

"We discovered that light from the lensing galaxy and from the background galaxy were blended in the ground-based data, which was confusing us," Momcheva said. "The Keck spectroscopic data hinted that something interesting was going on here, but only with Hubble's high-resolution spectroscopy were we able to separate the lensing galaxy from the more distant background galaxy and determine that the two were at different distances. The Hubble data also revealed the telltale look of the system, with the foreground lens in the middle, flanked by a bright arc on one side and a faint smudge on the other — both distorted images of the background galaxy. We needed the combination of imaging and spectroscopy to solve the puzzle."

The distant galaxy is too small and far away for Hubble to resolve its structure. Team members, therefore, reconstructed and analyzed the distribution of light in the object to infer its spiral shape. In addition, spiral galaxies are more plentiful during those early times. The Hubble images also reveal at least one bright compact region near the center. The team suspects that the bright region is due to a flurry of star formation and is most likely composed of hot hydrogen gas heated by massive young stars.

Team members calculated the lensing galaxy's mass, including its dark-matter content, by first measuring the amount of light emitted by its stars. From that measurement, the astronomers obtained the mass of all the stars, which equals the amount of normal matter. Next, the team estimated the total mass by measuring how much the galaxy's gravity bends and distorts light from the distant background galaxy. The astronomers then subtracted the stellar mass from the total mass to determine the amount of dark matter in the galaxy.

As Tran continues her star-formation study in galaxy clusters, she will be hunting for more signatures of gravitational lensing. "I'm definitely going to keep an eye out for more lensing galaxies, but they're so rare that you would normally have to survey hundreds of clusters for them," Tran said. "That's why finding this one in such a small area of space was a complete shock."

The team's results appeared in the July 10 issue of The Astrophysical Journal Letters.

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