M54를 통해 진행되고 있는 우주의 리튬 부족 문제에 대한 고찰

 

사진 1, Credit: ESO

 

M54를 통해 진행되고 있는 우주의 리튬 부족 문제에 대한 고찰

 

 

칠레 북부 ESO 파라날 천문대의 VLT 탐사 망원경이 촬영한 이 사진은 별들이 광활하게 모여있는 구상성단 메시에 54의 모습을 담고 있다.
이 구상성단은 다른 구상성단과 매우 유사해 보이지만 비밀을 하나 가지고 있다.
그것은 메시에 54가 우리은하에 속한 구상성단이 아니며 우리 은하의 위성은하중 하나인 궁수자리 왜소은하의 일부분이라는 것이다.
이러한 독특한 태생으로 인해 천문학자들은 VLT를 이용하여 우리 은하 바깥에 자리잡은 별들에서도 예상치 못한 낮은 수준의 리튬 분포 양상을 보이는지를 검사하였다.

 

 

우리 은하주변에는 150개 이상의 구상성단이 공전하고 있다.
이 구상성단들은 우리 은하가 형성되던 시점까지 거슬러 올라간 수십만개의 늙은 별들이 뭉쳐져 있는 성단들이다.

 

궁수자리에 위치하고 있는 여러 구상성단 중 하나인 이 성단은 18세기 말 프랑스의 혜성 관측가였던 찰스 메시에(Charles Messier)에 의해 발견되었으며 메시에 54로 등재되었다.
메시에 54가 발견된 후 200여년 동안 이 성단은 우리 은하의 다른 구상성단과 유사한 성단일 것으로 생각되어왔다.

 

그러나 1994년, 이 구상성단은 사실 전혀 다른 은하인 궁수자리 왜소은하와 관련이 있는 것으로 밝혀졌다.
이 성단까지의 거리는 9만 광년으로서 이는 은하 중심에서 지구까지의 거리의 3배 이상에 해당하는 거리이다.

 

오늘날 천문학자들은 VLT를 이용하여 메시에 54를 관측하면서 현대 천문학의 과제중 하나인 리튬 결핍의 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.
오늘날 우주에서 발견되는 리튬들은 모두 빅뱅 당시 수소 및 헬륨과 함께 만들어진 것인데 그 양은 대단히 적다.

 

 

천문학자들은 초기 우주에서 얼마만큼의 리튬이 발견되리라는 예측과 함께 이러한 작업에 의해 오래된 별들에서 얼마만큼의 리튬이 발견될지를 대단히 정확하게 계산할 수 있다.

그러나 이 예상치는 맞지 않았다. 실제 오래된 별들에서는 예상치보다 세배나 적은 리튬만이 관측된 것이다.
수십년간의 작업에도 불구하고 이 수수께끼는 여전히 풀리지 않고 있다. [1]
지금까지 고작 가능한 일은 우리 은하에 속한 별들에서 리튬의 양을 측정하는 것이다.

 

이탈리아 볼로냐 대학의 천문학자인 알레시오 무차렐리(Alessio Mucciarelli)가 이끄는 연구팀은 VLT를 이용하여 메시에 54에 존재하는 관측 대상 별들에서 얼마만큼의 리튬이 존재하는지를 측정했다.

그리고 이러한 연구를 통해 리튬의 함유 수준이 우리 은하와 거의 동일한 수준임을 발견하였다.
따라서 리튬을 제거시킨 원인이 무엇이든지 간에 그 사건은 우리 은하에만 한정되어 있는 사건이 아닐 것으로 보인다.

 

이 사진은 파라날 천문대의 VLT 관측 데이터로 만들어진 것이다.
사진에서는 성단 자체뿐 아니라 그 전경으로 우리 은하에 속하는 별들이 빽빽하게 몰려 있는 특이한 모습도 볼 수 있다.

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 표는 궁수자리에 존재하는  구상성단 메시에 54의 위치를 보여주고 있다.
표에 나타난 별들은 모두 청명한 밤하늘에서라면 육안으로 볼 수 있는 별들이며 구상성단의 위치는 붉은 색 원으로 표시되어 있다.
이 구상성단은 소규모 천체망원경이나 쌍안경으로도 쉽게 찾아볼 수 있지만 그 거리가 매우 멀어서 각각의 별들을 분간해 내기는 쉽지 않다.

 

 

Credit: ESO and Digitized Sky Survey 2

 

사진 2>

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 구상성단 메시에 54와 그 주변을 담고 있는 가시광선 광대역 사진이다. 

사진 정 중앙에 구상성단 메시에 54가 보인다.
 

 

 

각주
[1] 이러한 수수께기를 풀기위한 몇몇 가설들이 제안된 바 있다.
첫번째 가설은 빅뱅 당시에 만들어진 리튬의 양에 대한 계산이 잘못되었다는 것인데 최근의 연구 결과는 이 가설이 옳지 않음을 말해주고 있다.
두번째 가설은 은하가 형성되기 전에 존재하던 초기 별들에 의해 얼마간의 리튬이 파괴되었을 것이라는 가설이다. 
세번째 가설은 아직 우리가 알지못하는 별들의 작용에 의해 오랜동안 리튬이 서서이 파괴되고 있을 것이라는 가설이다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 9월 10일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1428/

 

참고 : M54를 비롯한 각종 성단에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

원문>

This Star Cluster Is Not What It Seems

VLT observations of Messier 54 show the lithium problem also applies outside our galaxy

10 September 2014

This new image from the VLT Survey Telescope at ESO’s Paranal Observatory in northern Chile shows a vast collection of stars, the globular cluster Messier 54. This cluster looks very similar to many others but it has a secret. Messier 54 doesn’t belong to the Milky Way, but is part of a small satellite galaxy, the Sagittarius Dwarf Galaxy. This unusual parentage has now allowed astronomers to use the Very Large Telescope (VLT) to test whether there are also unexpectedly low levels of the element lithium in stars outside the Milky Way.

The Milky Way galaxy is orbited by more than 150 globular star clusters, which are balls of hundreds of thousands of old stars dating back to the formation of the galaxy. one of these, along with several others in the constellation of Sagittarius (The Archer), was found in the late eighteenth century by the French comet hunter Charles Messier and given the designation Messier 54.

For more than two hundred years after its discovery Messier 54 was thought to be similar to the other Milky Way globulars. But in 1994 it was discovered that it was actually associated with a separate galaxy — the Sagittarius Dwarf Galaxy. It was found to be at a distance of around 90 000 light-years — more than three times as far from Earth as the galactic centre.

Astronomers have now observed Messier 54 using the VLT as a test case to try to solve one of the mysteries of modern astronomy — the lithium problem.

Most of the light chemical element lithium now present in the Universe was produced during the Big Bang, along with hydrogen and helium, but in much smaller quantities. Astronomers can calculate quite accurately how much lithium they expect to find in the early Universe, and from this work out how much they should see in old stars. But the numbers don’t match — there is about three times less lithium in stars than expected. This mystery remains, despite several decades of work [1].

Up to now it has only been possible to measure lithium in stars in the Milky Way. But now a team of astronomers led by Alessio Mucciarelli (University of Bologna, Italy) has used the VLT to measure how much lithium there is in a selection of stars in Messier 54. They find that the levels are close to those in the Milky Way. So, whatever it is that got rid of the lithium seems not to be specific to the Milky Way.

This new image of the cluster was created from data taken with the VLT Survey Telescope (VST) at the Paranal Observatory. As well as showing the cluster itself it reveals the extraordinarily dense forest of much closer Milky Way stars that lie in the foreground.

Notes

[1] There are several possible proposed solutions to the riddle. The first is that the calculations of the amounts of lithium produced in the Big Bang are wrong — but very recent tests suggest that this is not the case. The second is that the lithium was somehow destroyed in the earliest stars, before the formation of the Milky Way. The third is that some process in the stars has gradually destroyed lithium during their lives.

More information

This research was presented in a paper, “The cosmological Lithium problem outside the Galaxy: the Sagittarius globular cluster M54”, by A. Mucciarelli et al., to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Oxford University Press).

The team is composed of: A. Mucciarelli (University of Bologna, Italy), M. Salaris (Liverpool John Moores University, Liverpool, UK), P. Bonifacio (Observatoire de Paris, France), L. Monaco (ESO, Santiago, Chile) and S. Villanova (Universidad de Concepcion, Concepcion, Chile).

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”.

Links

• Research paper
• Photos of the VST

Contacts

Alessio Mucciarelli
University of Bologna
Bologna, Italy
Tel: +39 051 20 95705
Email: alessio.mucciarelli2@unibo.it

Lars Lindberg Christensen
Head of ESO ePOD
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6761
Cell: +49 173 3872 621
Email: lars@eso.org