H-ATLAS J142935.3-002836 : 멀리 떨어진 충돌은하에 대한 최상의 사진을 촬영하다.

 

Credit: ESO/NASA/ESA/W. M. Keck Observatory

 

사진1> ALMA를 포함한 지구와 우주에 위치한 여러 망원경들이 함께, 우주의 나이가 현재 우주의 반 정도 밖에 되지 않은 시점에 충돌을 겪고 있는 두 개 은하에 대한 최상의 사진을 만들어냈다.

천문학자들은 은하 크기의 렌즈의 도움을 받아, 이러한 도움이 없었다면 결코 보지 못했을 이 천체의 세세한 모습을 볼 수 있었다.

H-ATLAS J142935.3-002836 은하에 대한 이번 새로운 연구는 이 복잡하고 워낙 멀리 떨어져 있는 은하의 모습이 잘알려져 있는 국부 충돌 은하인 안테나 은하와 놀랍도록 유사하다는 점을 밝혀냈다.

이 사진에서는 중력렌즈로서 작용하는 전면의 은하를 볼 수 있는데 이 은하는 마치 우리 은하처럼 그 모서리를 우리에게 드러내고 있다.

그 주위로 거의 완벽한 원의 모습을 보이고 있는 천체는 이보다는 훨씬 더 멀리 떨어진, 충돌이 진행되면서 맹렬하게 별들을 만들어내는 은하의 모습이 번져보이는 것이다.

이 사진은 허블 우주망원경과 하와이 켁 II 망원경이 적응광학기술을 사용하여 촬영한 사진을 합성한 것이다.

 

멀리 떨어진 충돌은하에 대한 최상의 사진을 촬영하다.

 

국제연구팀이 ALMA와 우주 및 지상에 위치한 여러 망원경들을 활용하여, 우주의 나이가 현재 나이의 반 정도밖에 되지 않은 과거에 발생한 두 개 은하의 충돌에 대한 최상의 사진을 얻어냈다.

천문학자들은 은하 정도 크기를 가진 중력 렌즈은하의 도움을 받아, 이 도움이 없었더라면 볼 수 없었을 세부모습을 볼 수 있었다.
H-ATLAS J142935.3-002836 은하에 대한 새로운 연구들은 이 은하간의 충돌이, 잘 알려진 국부은하의 충돌은하인 안테나 은하와 동일하다는 점을 보여주고 있다.

 

유명한 소설의 조인공인 셜록 홈즈 탐정은 눈에는 보이지 않지만 중요한 단서를 찾기 위해 돋보기를 이용한다.
지금 천문학자들은 지구와 우주에 위치하고 있는 여러 망원경들[1]과 광활한 규모를 자랑하는 우주의 렌즈를 활용하여 초기 우주의 격렬한 별생성을 연구하고 있다.

 

이번 논문의 수석 저자인 칠레 콘셉시오 대학 및 포르투갈 리스보아 대학 천체물리학 센터의 휴고 메시아스(Hugo Messias)의 설명은 다음과 같다.
"천문학자들은 망원경의 관측 능력 한계를 종종 경험하지만 어떤 경우 우주가 제공하는 강력한 확대 작용에 의해 대상 천체를 세세하게 볼 수 있습니다.
아인슈타인이 자신의 일반상대성이론에서 예측한 이 현상은 엄청난 질량을 가진 물체가 직진하는 빛을 마치 일반렌즈가 빛을 구부리는 것과 유사하게 구부리게 만들어주죠."

 

이러한 우주적 렌즈 현상은 은하 또는 은하단과 같은 거대한 질량을 가진 천체에 의해 만들어진다.
이들은 자신의 뒷편에서 날아오는 빛을 강력한 중력으로 굴절시키게 되는데, 이러한 현상을 일컬어 '중력렌즈'현상이라 한다.

 

 

Credit: ESO/M. Kornmesser

 

표> 이 표는 일반 은하의 중력렌즈 효과에 의해서 훨씬 멀리 떨어진, 충돌과 별생성이 진행중인 은하의 모습이 어떻게 왜곡되고, 왜 더 밝게 보이는지를 묘사하고 있다.

 

이 효과에 의해 확대된 속성들은 천문학자들로 하여금 이러한 현상없이는 볼 수 없었을 천체에 대한 연구를 가능하게 해 주고 있으며 우주가 아직은 훨씬 과거였을 시절의 엄청난 거리로 떨어져 있는 은하들을 지근 거리의 은하들과 직접적으로 비교할 수 있게 해주고 있다.

 

그러나 이러한 중력 렌즈 현상이 발현되기 위해서는 렌즈 역할을 하는 은하와 뒷편의 천체가 매우 정확하게 정렬하고 있어야 한다.
휴고 메시아스의 설명은 다음과 같다.
"이러한 정렬이 일어나는 현상은 매우 드물고 그 정체를 식별하기도 매우 어렵습니다.
그러나 최근의 연구 결과는 원적외선 관측 또는 밀리미터 파장의 관측을 통해 이들을 보다 효과적으로 찾아낼 수 있음을 알려주고 있습니다."

 

H-ATLAS J142935.3-002836(짧게 H1429-0028 라고도 표현함)은 이러한 작용을 통해 발견된 천체중 하나이며 허셜 천체물리 테라헤르츠 거대 배열 관측(the Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey, H-ATLAS)을 통해 발견되었다.

 

비록 가시광선 파장에서는 매우 희미하게 보이지만, 이는 지금까지 발견된 원적외선 파장에서 가장 밝게 빛나는 중력 렌즈 천체이며 우리가 지금 이 천체를 보고 있긴 하지만 이 은하는 우주의 나이가 현재 대비 절반밖에 되지 않았던 시점에 존재하고 있던 것을 보는 것이다.

 

이 천체의 최초 관측은 관측 가능영역의 한계점에서 수행되어 이후 국제연구팀은 허블 우주망원경과, ALMA, 켁 천문대, 칼 얀스키 초거대 배열(the Karl Jansky Very Large Array, 이하 JVLA)과 같은 지구와 우주에 존재하는 가장 강력한 망원경을 통한 광범위한 후속 관측을 수행하였다.
서로 다른 망원경들은 서로 다른 데이터를 제공했고, 이 데이터들을 연결지어 이 독특한 천체의 특성에 대해 최상의 데이터를 확보할 수 있었다.

 

허블과 켁망원경의 데이터는 전면에 위치한 은하주위를 둘러싸고 있는 중력의 영향으로 형성된 빛의 고리에 대한 세부 내용을 밝혀주었다.

또한 이들 고해상도 사진들은 중력렌즈 작용을하고 있는 은하가 마치 우리 은하처럼 자신이 가지고 있는 먼지 띠에 의해 배경의 빛을 차단하고 있음을 보여주고 있다.

 

그러나 먼지에 의한 이러한 차폐는 ALMA나 JVLA에게는 문제가 되지 않았다.
이 두개의 망원경은 훨씬 긴 파장의 물체를 관측하기 때문에 먼지에 의해 전혀 영향을 받지 않았던 것이다.

 

이처럼 다양한 데이터를 함께 활용함으로써 연구팀은 이 은하가 실제로는 두 개의 은하가 충돌이 진행되고 있는 천체임을 알 수 있게 되었다.
바로 이 지점에서, 이 천체의 특성을 보다 더 자세히 알아내기 위해 ALMA와 JVLA이 핵심역할을 수행하게 되었다.
특별히 ALMA는 은하 내에서 새로운 별이 생성되는 기재를 보다 상세하게 알 수 있게 해주는 일산화탄소를 추적하였다.
ALMA의 관측은 또한 물질들의 움직임을 측정할 수 있게 해주었다.

 

이러한 관측은 두 개의 은하가 충돌하는 와중에 매년 백여개의 새로운 별들이 생성되고 있음을 보여주었으며 충돌이 발생하고 있는 두 개의 은하 중 하나는 여전히 회전을 계속하고 있음을 보여주었다.
회전이 계속되고 있다는 것은 이 은하가 충돌이 일어나기 전에 이미 원반을 가진 은하였음을 알려주는 단서이다.

 

두 개 은하의 충돌이 진행중인 이 천체는 우리와 훨씬 가까이에 있는 안테나 은하와 닮았다.
안테나 은하 역시 충돌의 장관을 볼 수 있는 은하인데 충돌이 진행중인 두 개 은하 모두 과거에는 원반 구조를 가진 은하였을 것으로 생각되고 있다.
하지만 안테나 은하의 경우 매년 우리 태양 질량의 열배 정도의 별들을 만들어내고 있음에 반해, H1429-0028은 태양 질량의 400배에 달하는 질량의 별들을 매년 새로 만들어내고 있는 것으로 판명되었다.

 

ESO의 과학감독관이자 이번 논문의 공동저자인 롭 이비손 (Rob Ivison)의 소감은 다음과 같다.
"ALMA는 이 은하내부에 존재하는 가스의 속도에 대한 정보를 우리에게 제공해줌으로써, 우리로 하여금 수수께끼를 해결할 수 있게 해주었습니다.
이를 통해 우리는 다양한 구성성분과 은하의 충돌이 진행중이라는 전형적인 신호를 포착할 수 있게 되었죠.
우리의 아름다운 연구는 엄청난 비율로 폭발적인 별의 생성을 촉발시키는 주범으로서 은하의 충돌을 잡아낼 수 있었습니다."

 

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

사진2> 이 광대역 사진은 DSS2가 촬영한 H-ATLAS J142935.3-002836 은하 주변을 보여주고 있다.

상대적으로 텅비어있는 이 하늘에 몇몇 별들과 여러개의 희미한 은하들이 보인다.
이 은하 중 하나가 우연히 돋보기처럼 작용하면서 훨씬 멀리 떨어진 충돌하는 은하의 희미한 빛에 초점을 맞춰주고 있는 것이다.

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/W. M. Keck Observatory

 

사진3> 이 사진은 붉은색으로 보이는 ALMA의 데이터에 허블우주망원경과 켁II 망원경의 이미지를 합성한 것이다.

ALMA의 데이터는 이 충돌하는 은하 내에 존재하는 물질들의 움직임에 대한 정보를 제공해주었는데 이 정보는 이 복잡한 천체의 특성이 밝히는데 핵심적인 정보이다.

 

 

각주
[1] 이번에 우주적 미스테리를 밝혀내는데 도움을 주기위해 활용된 대망원경 함대는 ESO의 ALMA, APEX, VISTA뿐만이 아니다. 
이번 관측에 참여한 망원경과 관측기기들은 하기와 같다.  
: 허블 우주망원경,  제미니 남반구 망원경, 켁-II 망원경, 스피처 우주망원경, 얀스키 초거대 배열, CARMA, IRAM, SDSS, WISE.
  

 
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 8월 26일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1426/

 

참고 : H-ATLAS J142935.3-002836을 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 

 

원문>

Best View Yet of Merging Galaxies in Distant Universe

ALMA applies methods of Sherlock Holmes

26 August 2014

 

Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), and many other telescopes on the ground and in space, an international team of astronomers has obtained the best view yet of a collision that took place between two galaxies when the Universe was only half its current age. They enlisted the help of a galaxy-sized magnifying glass to reveal otherwise invisible detail. These new studies of the galaxy H-ATLAS J142935.3-002836 have shown that this complex and distant object looks like the well-known local galaxy collision, the Antennae Galaxies.

The famous fictional detective Sherlock Holmes used a magnifying lens to reveal barely visible but important evidence. Astronomers are now combining the power of many telescopes on Earth and in space [1] with a vastly larger form of cosmic lens to study a case of vigorous star formation in the early Universe.

“While astronomers are often limited by the power of their telescopes, in some cases our ability to see detail is hugely boosted by natural lenses, created by the Universe,” explains lead author Hugo Messias of the Universidad de Concepción (Chile) and the Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa (Portugal). “Einstein predicted in his theory of general relativity that, given enough mass, light does not travel in a straight line but will be bent in a similar way to light refracted by a normal lens.”

These cosmic lenses are created by massive structures like galaxies and galaxy clusters, which deflect the light from objects behind them due to their strong gravity — an effect, called gravitational lensing. The magnifying properties of this effect allow astronomers to study objects which would not be visible otherwise and to directly compare local galaxies with much more remote ones, seen when the Universe was significantly younger.

But for these gravitational lenses to work, the lensing galaxy, and the one far behind it, need to be very precisely aligned.

“These chance alignments are quite rare and tend to be hard to identify,” adds Hugo Messias, “but, recent studies have shown that by observing at far-infrared and millimetre wavelengths we can find these cases much more efficiently.”

H-ATLAS J142935.3-002836 (or just H1429-0028 for short) is one of these sources and was found in the Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey (H-ATLAS). Although very faint in visible light pictures, it is among the brightest gravitationally lensed objects in the far-infrared regime found so far, even though we are seeing it at a time when the Universe was just half its current age.

Probing this object was at the limit of what is possible, so the international team of astronomers started an extensive follow-up campaign using the most powerful telescopes — both on the ground as well as in space — including the NASA/ESA Hubble Space Telescope, ALMA, the Keck Observatory, the Karl Jansky Very Large Array (JVLA), and others. The different telescopes provided different views, which could be combined to get the best insight yet into the nature of this unusual object.

The Hubble and Keck images revealed a detailed gravitationally-induced ring of light around the foreground galaxy. These high resolution images also showed that the lensing galaxy is an edge-on disc galaxy — similar to our galaxy, the Milky Way — which obscures parts of the background light due to the large dust clouds it contains.

But this obscuration is not a problem for ALMA and the JVLA, since these two facilities observe the sky at longer wavelengths, which are unaffected by dust. Using the combined data the team discovered that the background system was actually an ongoing collision between two galaxies. From this point on, ALMA and the JVLA started to play a key role in further characterising this object.

In particular, ALMA traced carbon monoxide, which allows detailed studies of star formation mechanisms in galaxies. The ALMA observations also allowed the motion of the material in the more distant object to be measured. This was essential to show that the lensed object is indeed an ongoing galactic collision forming hundreds of new stars each year, and that one of the colliding galaxies still shows signs of rotation; an indication that it was a disc galaxy just before this encounter.

The system of these two colliding galaxies resembles an object that is much closer to us: the Antennae Galaxies. This is a spectacular collision between two galaxies, which are believed to have had a disc structure in the past. While the Antennae system is forming stars at a rate of only a few tens of the mass of our Sun each year, H1429-0028 turns more than 400 times the mass of the Sun of gas into new stars each year.

Rob Ivison, ESO’s Director of Science and a co-author of the new study, concludes: “ALMA enabled us to solve this conundrum because it gives us information about the velocity of the gas in the galaxies, which makes it possible to disentangle the various components, revealing the classic signature of a galaxy merger. This beautiful study catches a galaxy merger red handed as it triggers an extreme starburst.”

Notes

[1] Among the armada of instruments that were used to provide evidence to help unravel the mysteries of this case were no fewer than three ESO telescopes — ALMA, APEX and VISTA. The other telescopes and surveys that were brought to bear were: the NASA/ESA Hubble Space Telescope, the Gemini South telescope, the Keck-II telescope, the NASA Spitzer Space Telescope, the Jansky Very Large Array, CARMA, IRAM and SDSS and WISE.

More information

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

This research was presented in a paper entitled “Herschel-ATLAS and ALMA HATLAS J142935.3-002836, a lensed major merger at redshift 1.027”, by Hugo Messias et al., to appear online on 26 August 2014 in the journal Astronomy & Astrophysics.

The team is composed of Hugo Messias (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile; Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa, Portugal), Simon Dye (School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, UK), Neil Nagar (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Gustavo Orellana (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), R. Shane Bussmann (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Jae Calanog (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA), Helmut Dannerbauer (Universität Wien, Institut für Astrophysik, Austria), Hai Fu (Astronomy Department, California Institute of Technology, USA), Edo Ibar (Pontificia Universidad Católica de Chile, Departamento de Astronomía y Astrofísica, Chile), Andrew Inohara (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA), R. J. Ivison (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK; ESO, Garching, Germany), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italy), Dominik A. Riechers (Astronomy Department, California Institute of Technology, USA; Department of Astronomy, Cornell University, USA), Yun-Kyeong Sheen (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Simon Amber (The Open University, Milton Keynes, UK), Mark Birkinshaw (H. H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, UK; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), Nathan Bourne (School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, UK), Dave L. Clements (Astrophysics Group, Imperial College London, UK), Asantha Cooray (Department of Physics & Astronomy, University of California, USA; Astronomy Department, California Institute of Technology, USA), Gianfranco De Zotti (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italy), Ricardo Demarco (Universidad de Concepción, Barrio Universitario, Chile), Loretta Dunne (Department of Physics and Astronomy, University of Canterbury, New Zealand; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK), Stephen Eales (School of Physics and Astronomy, Cardiff University,UK), Simone Fleuren (School of Mathematical Sciences, University of London, UK), Roxana E. Lupu (Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania, USA), Steve J. Maddox (Department of Physics and Astronomy, University of Canterbury, New Zealand; Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK), Michał J. Michałowski (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, UK), Alain Omont (Institut d’Astrophysique de Paris, UPMC Univ. Paris, France), Kate Rowlands (School of Physics & Astronomy, University of St Andrews, UK), Dan Smith (Centre for Astrophysics Research, Science & Technology Research Institute, University of Hertfordshire, UK), Matt Smith (School of Physics and Astronomy, Cardiff University,UK) and Elisabetta Valiante (School of Physics and Astronomy, Cardiff University, UK).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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Hugo Messias
Universidad de Concepción, Chile / Centro de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Lisboa, Portugal
Tel: +351 21 361 67 47/30
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Richard Hook
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