과거에 대한 탐색 : 가장 신뢰할만한 거리 측정

 

Credit: NASA, ESA  Acknowledgement: A. Zitrin (California Institute of Technology, USA)

 

사진 1> 이 사진은 허블 우주망원경의 WFC3와 ACS를 이용하여 촬영한 거대 은하단 Abell 2744의 사진이다.
세 개의 네모박스는 130억년에 걸쳐 우리에게 도달한 멀리 떨어진 동일 은하의 3개 사진이다.
이 은하는 은하단이 주변의 시공간에 행사하는 영향력에 의해 확대되고 다수의 모습으로 분절되었다.
이 확대된 모습 간의 각분리 양상을 측정함으로써 천문학자들은 이 은하와 지구까지의 거리 측정치에 보다 향상된 제약사항을 적용할 수 있었다.
이와 같은 과정은 우리가 카메라를 이용하여 대상에 초점을 맞추고 포커스링을 통해 그 거리를 읽을 수 있는 것과 상당히 유사한 방법이다.
그 결과 우주의 초기 시대에 존재하던 천체에 대한 지금까지의 측정치 중 가장 신뢰할만한 측정이 가능하게 되었다.

 

 

과거에 대한 탐색 : 가장 신뢰할만한 거리 측정
 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 우주 형성기에 존재하던 천체에 대해 지금까지 수행된 모든 측정 중 가장 신뢰할만한 거리 측정 결과를 도출해냈다.

지금까지 발견된 가장 희미하고 가장 작으면서 가장 멀리 떨어져 있는 은하 중 하나에 대해 가능한한 가장 정확하게 이루어진 거리 측정은 거대한 은하단이 어떻게 주변의 시공간을 구부리게 되는지를 믿을 수 없을만큼 세밀하게 측정하면서 이루어졌다.
 

천문학자들은 종종 은하단에 만들어내는 확대 현상인 중력 렌즈 작용을 이용하여 멀리 떨어진 은하들을 발견하곤 한다[1].

그런데 그 빛이 너무나 먼 우주 초기 시대로부터 오는 것이라면 그 밝기가 너무 희미하여 측정치에 부정확성이 존재하게 된다[2].

 

이번에 연구팀은 전통적인 거리 측정법에 정확성을 광범위하게 개선한 몇몇 기발한 역설계공학을 접목시켰다.

 

판도라의 은하단이라는 별칭을 가진 거대한 은하단 Abell 2744의 렌즈작용은 지속적인 연구가 되어 오고 있는 멀리 떨어진 은하에 초점을 맞추고 있으며 해당 은하의 밝기를 원래 밝기보다 10배 이상 증가시켜 천문학자들로 하여금 이 은하를 볼 수 있게 해 주고 있다.

또한 이 렌즈 작용은 해당 은하의 크기를 3배 이상 확대시켜 주었다.

 

Credit: NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI).

 

사진2> Abell 2744를 촬영한 이 사진은 허블 프론티어 필드 관측 프로그램으로부터 만들어진 첫번째 사진이다.
이 거대한 은하단의 확대력을 이용하여  머나먼 우주를 엿볼 수 있게 된다.
판도라 은하단이라는 별칭이 붙어 있는 Abell 2744는 여러 은하단이 첩첩이 쌓이면서 형성된 매우 격렬한 파괴의 역사를 가지고 있을 것으로 생각된다.
Abell 2744는 프론티어 필드로 알려진 관측 프로그램의 6개의 관측 대상 천체 중 첫번째 천체이다.
3년동안, 840번의 공전이 이루어지는 동안 수행되는 이 프로그램은 가장 깊은 우주의 모습을 우리에게 보여줄 것이다.
이 프로그램에서는 허블 우주망원경을 이용하여 6개의 서로 다른 은하단 주위에서 나타나는 중력렌즈 현상을 이용하여 우리가 볼 수 있는 우주보다 훨씬 멀리 떨어진 우주를 보게 된다.

 

 

미국 캘리포니아 기술 연구소 소속인 연구팀의 리더 에이디 지트린(Adi Zitrin)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 허블의 근적외선과 가시광선 사진을 이용하여 중력렌즈 작용으로 확대된 이 은하의 모습을 확인할 수 있었습니다.
그러나 처음에는 이 천체가 우리로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 알 수 없었죠."

 

이 은하의 색깔을 분석함으로써 연구팀은 이 은하까지의 거리를 측정할 수 있었다.
우주의 팽창은 은하로부터 출발한 빛의 파장을 늘려놓기 때문에 그 색깔은 스펙트럼 상의 붉은 색 쪽으로 이동하게 되고, 이러한 색깔의 변화는 '적색편이'로 측정되고 정량화될 수 있다.
 
이 천체의 경우 연구팀이 측정한 적색편이 값은 10이었는데, 이는 거의 기록 경신에 해당하는 값으로서 이 빛이 우리에게 도달하기까지 130억년의 시간이 걸렸음을 의미한다.
그러나 이러한 결과가 나오기는 어려운 상황이었으며 측정 방법에도 역시 몇몇 제약 사항이 있었기 때문에 그 결과는 부정확하거나 잘못 도출된 것일수 있었고, 심지어는 완전히 틀린 결과일 수도 있었다.

 

따라서 도출 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 중력렌즈가 만들어낸 여러장의 사진을 이용하였다.

 

 

 

Credit: NASA, ESA,  Acknowledgement: A. Zitrin (California Institute of Technology, USA)

Credit: NASA, ESA,  Acknowledgement: A. Zitrin (California Institute of Technology, USA)

Credit: NASA, ESA,  Acknowledgement: A. Zitrin (California Institute of Technology, USA)

 

사진 3, 4, 5> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은, 그 빛이 우리에게 도달하기까지 130억년이 소요된 매우 멀리 떨어진 은하를 촬영한 3개의 사진이다.
이 은하의 모습은 Abell 2744 은하단이 만들어내는 렌즈 효과에 의해 확대되면서 다수의 모습으로 분리되었다.
 

 

허블이 촬영한 3개의 중력렌즈에 의한 확대 사진의 각분리 양상이 각각 측정되었다.

천문학자들은 이 은하단의 성격을 이미 규명해 놓은 상태였기 때문에 중력 렌즈에 의한 빛의 왜곡 효과를 잘 알 수 있었고 이로부터 목표 은하가 중력 렌즈를 발생시키는 은하단으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 알 수 있었다.

 

연구팀은 이 작업을 중력 렌즈 현상에 의해 확대된, 보다 가까이 존재하는 은하들의 각분리 양상과 비교하며 진행하였는데, 더 큰 각분리 양상을 보일 수록 더 멀리 떨어진 천체임을 의미하는 것이었다.

 

연구팀의 일원인 스페인 바스크 기초과학대학의 톰 브로어드허스트(Tom Broadhurst)의 언급은 다음과 같다.
"이것은 상대론적 광학 연구의 힘을 보여준 것이라 할 수 있습니다.
지금 우리는 이러한 중력 렌즈 효과를 잘 이해하고 있으며 이를 이용하여 거리를 측정할 수 있습니다.
이것은 사람들이 카메라를 이용하여 대상에 초점을 맞추고 대상의 거리를 렌즈의 포커스 링을 통해 알 수 있는 것과 유사한 것입니다.
이러한 종류의 역설계공학을 거리에 적용한 것이 우리에게 크나큰 성과를 얻을 수 있게 해주었죠."
 

색깔에 의한 전통적인 분석과 렌즈의 역설계공학을 함께 접목함으로써, 연구팀은 확고한 거리 측정치를 계산해내었다.

지트린의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이 천체의 적색편이 값이 10이라는 사실을 95퍼센트의 확신을 가지고 얘기할 수 있습니다.
이번 렌즈현상은 대상 천체가 엄청난 적색편이 값을 가지고 있으며, 가까이 있는 천체가 마치 멀리 있는 천체인듯 변장하고 있을 수 있다는 의심을 한방에 날려버렸죠."
 
이 은하는 미리내의 작은 한 조각에 지나지 않는 매우 작은 한 조각 거품처럼 보이지만 그 시기는 우주의 나이가 5억년밖에 되지 않은 시점으로서, 138억년의 현재 우주 나이에 비교해 3%정도밖에 경과하지 않은 시점의 모습을 제공해 주고 있다.

 

비록 동일 시대에 10여개의 또다른 은하들이 가장 멀리 떨어진 천체 후보로 발견되긴 했지만 천문학자들은 이번에 새로 발견된 천체가 확실히 가장 작고 가장 희미한 천체라고 입을 모으고 있다. 
 

지트린의 설명은 다음과 같다.
"이 천체는 빅뱅이 발생하고 대략 5억년이 지난 후에 작고 희미한 천체들이 많이 존재한다는 점을 생각할 수 있게 만드는 독특한 예입니다.
이번 발견은 이처럼 희미한 은하들이 존재한다는 점과, 아무리 희미한 천체라 하더라도 지속적인 탐색을 우리가 포기해서는 안된다는 점을 말해주고 있죠.
이를 통해 우리는 은하들이, 그리고 우주가 장구한 역사를 통해 어떻게 진화하고 있는지를 이해할 수 있게 될 것입니다."
 

이 은하에 대한 분석 결과 이 은하의 폭은 850광년이며 그 질량은 우리 태양의 4천만배로 측정되었다.

그 크기는 지름이 10만 광년 이상인 우리 미리내에 비교해서는 매우 작은 수치이다.
또한 이번 발견은 이 은하가 3년에 하나 꼴로 별들을 만들어내고 있음도 알려주었다[3].

 

비록 이러한 비율은 미리내의 별생성 비율의 3분의 1 정도밖에 되지 않지만, 이는 이 은하의 크기를 감안했을 때 매우 높은 비율에 해당하며 이 은하가 빠른 속도로, 그리고 효율적으로 별들을 만들어내고 있음을 말해주고 있다.

 

지트린의 설명은 다음과 같다.
"이와 같은 은하들은 아마도 별들을 형성해내고 빛을 내는 작은 물질 덩어리를 가지고 있을 것으로 보입니다.
그러나 이 물질은 아직 특정 구조를 갖추고 있는건 아닌 상태이죠. 따라서 우리는 중력 렌즈 현상에 의해 확대된 밝은 덩어리 하나만을 보는 것일 겁니다.
그리고 이것은 왜 이 시기의 은하들이 일반적인 은하들보다 적은 크기를 가지고 있는지를 설명하는 하나의 가설이 될 수 있습니다."

 

천문학자들은 초기 시대의 은하들이 빅뱅 이후 차가와진 수소를 데울 수 있을만큼 충분한 복사열을 제공할 수 있었는지에 대한 논쟁을 오랫동안 계속해왔다.

재이온화라 불리는 이 과정은 우주를 빛이 투과할 수 있는 투명한 상태로 만들었고, 천문학자들로 하여금 차가운 수소 안개 속으로 직접 달려가지 않고서도 과거를 들여다볼 수 있게끔 해주었다[4].

 

지트린의 소감은 다음과 같다.
"우리는 은하들이 자신들의 자외선을 통해 우주를 이온화시켰다라고 가정하고 싶습니다.
하지만 아직 우리는 이와 같은 일을 촉발시킬만큼 충분한 은하나 빛을 보지 못했죠. 따라서 우리는 더더욱 희미한 은하들을 볼 필요가 있으며 허블 프론티어 필드 프로그램과 은하단이 만들어내는 중력 렌즈 현상이 우리의 목적을 도와줄 것이라고 생각합니다.[5]"

 

연구팀의 연구결과는 2014년 9월 4일 아스트로피지컬 저널 온라인판에 개재되었다.

 

각주
[1] 은하단은 너무나 무거운 질량을 가지고 있어 이들의 중력은 자신을 통과하는 빛을 굴절시키게 된다.
이 때 그 뒷편에 위치하는 천체들의 모습은 뒤틀리게 되고 때로는 그 밝기를 증가시키게 되는데 이러한 현상을 '중력렌즈'현상이라 한다.

 

[2] 원칙적으로 천문학자들은 천체까지의 거리를 결정하는데 분광데이터를 활용한다.

거리가 멀어질 수록 그 빛은 우주의 팽창에 의해 빛은 더더욱 늘어나게 되고, 분광학적으로 적색편이라고 부르는 이 효과는 정확하게 측정될 수 있다. 
그러나 대상 천체가( 중력렌즈 작용을 수행하는 은하를 포함하여) 너무나 이른 우주 초기에 존재한다면 그 빛은 너무나 희미하여 분광학을 사용하기가 어려워진다. 
따라서 천문학자들은 이처럼 희미한 천체들의 거리를 측정하는데 있어 정확성이 떨어지는 방법인 색깔에 입각한 방법을 쓰게 된다.

 

[3] 이 은하가 생성해 내는 별의 수는 매 3년마다 하나 이하일 것으로 보인다. 
이 숫자가 의미하는 것은 매 1년당 평균 우리 태양 질량의 3분의 1에 해당하는 질량이 증가되고 있음을 의미한다.

 

[4] 재이온화는 우주가 탄생한 이후 2억년에서 10억년 사이에 발생한 것으로 생각되고 있다.

 

[5] 이번에 발견된 은하는 허블우주망원경과 NASA의 스피처 우주망원경, 찬드라 X선 망원경을 이용하여 천문학자들로 하여금 초기 우주를 탐색할 수 있도록 3년에 걸쳐 진행하는 프론티어 필드 프로그램의 일환으로 발견된 은하이다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 10월 16일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1423/

 

참고> Abell2744를 비롯한 은하 및 은하단에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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> 우주의 거리측정 등 우주론에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

 

원문>

Probing the past

Most reliable remote distance measurement yet

16 October 2014

Using the NASA/ESA Hubble Space Telescope astronomers have made what may be the most reliable distance measurement yet of an object that existed in the Universe’s formative years. The galaxy is one of the faintest, smallest and most distant galaxies ever seen and measuring its distance with this accuracy was possible due only to the incredibly detailed mapping of how giant galaxy clusters warp the space-time around them.

Astronomers often use gravitational lensing — the magnifying power of galaxy clusters — to find distant galaxies [1]. However, when it comes to the very early Universe, distance measurements can become inaccurate as the objects are so dim [2]. Now, a team of astronomers has combined a traditional method of distance measurement with some clever reverse engineering to vastly improve accuracy.

The lensing power of the mammoth galaxy cluster Abell 2744, nicknamed Pandora's Cluster, focussed the light from the faraway galaxy that was being studied, making it appear about ten times brighter than it otherwise would have been, and allowing astronomers to see it. The lensing also produced three magnified images of the same galaxy.

"We were able to spot the galaxy's multiple gravitationally-lensed images using near-infrared and visible-light photos from Hubble," explained study leader Adi Zitrin of the California Institute of Technology, USA. "But at first we didn’t know how far away it was from Earth."

By analysing the colour of the faraway galaxy the team could estimate its distance. Since the light left the galaxy the Universe's expansion has stretched its wavelength, shifting its colour towards red in the spectrum, and this colour change can be measured and quantified as a redshift. For this object, the team estimated a redshift of 10, almost a record-breaking value and meaning the light from this object has taken over 13 billion years to reach us. But this is hard to do for faint and distant objects, and the method has some limitations, so can be inaccurate, misleading, and in some unfortunate cases, completely wrong.

To be sure their measurement could be trusted the team took advantage of the multiple images produced by the lens. The angular separations of the three magnified images of the galaxy in the Hubble photos were measured. The astronomers had already characterised the cluster and the distorting effects of the gravitational lens so well that they could tell how far the remote galaxy was behind the lensing cluster. They did this by comparing these angular separations to those of the less distant galaxies lensed by the cluster — the greater the angular separation, the further away the object is.

"This is a demonstration of the power of relativistic optics," remarked team member Tom Broadhurst, from the University of Basque Country & Basque Foundation for Science, Spain. "We now understand these lenses so well that we can use them to measure distances. It is the equivalent of using your camera to focus on an object, and then reading its distance from you on the lens focus ring. Being able to do this kind of reverse engineering at these distances is a huge accomplishment for us."

By combining the traditional analysis of the colours with the reverse engineering of the lens, the team calculated a robust distance measurement. "We are about 95 percent confident that this object is at redshift 10," said Zitrin. "The lensing takes away any doubt that this might be a heavily reddened, nearby object masquerading as a far more distant object."

The galaxy appears as a tiny blob only a small fraction of the size of the Milky Way, but it offers a peek back to a time when the Universe was only about 500 million years old, roughly three percent of its current age of 13.8 billion years. Although about ten other galaxy candidates have been uncovered at this early era, astronomers say this newly found object is significantly smaller and fainter than most of those other remote objects.

"This object is a unique example of what is suspected to be an abundant, underlying population of small and faint galaxies at about 500 million years after the Big Bang," explained Zitrin. "The discovery is telling us that galaxies as faint as this one exist, and we should continue looking for them and even fainter objects so that we can understand how galaxies, and the Universe, have evolved over time."

Analysis of the galaxy shows that it measures 850 light-years across and is estimated to have a mass of 40 million times that of the Sun. Tiny when compared to our own galaxy, which spans more than 100 000 light-years. It was also discovered that the galaxy is forming about one star every three years [3]. Although this is only one third of the star formation rate in the Milky Way it is actually pretty prolific for a galaxy this size and shows that the galaxy is rapidly evolving and efficiently forming stars.

"Galaxies such as this one are probably small clumps of matter that are starting to form stars and shine, but they don't have a defined structure yet. Therefore, it's possible that we only see one bright clump magnified due to the lensing, and this is one possible reason why it is smaller than typical field galaxies of that time," Zitrin explained.

Astronomers have long debated whether such early galaxies could have provided enough radiation to warm the hydrogen that cooled soon after the Big Bang. This process, called reionisation, made the Universe transparent to light, allowing astronomers to look far back in time without running into a fog of cold hydrogen [4].

"We tend to assume that galaxies ionised the Universe with their ultraviolet light. But we do not see enough galaxies or light that could do that," Zitrin explained. "So we need to look at fainter and fainter galaxies, and the Frontier Fields and galaxy cluster lensing can help us achieve this goal" [5].

The team's results appeared in the online edition of Astrophysical Journal Letters on 4 September 2014.

Notes

[1] Galaxy clusters are so massive that their gravity deflects light passing through them, distorting the images of the distant objects behind them and sometimes magnifying and brightening them in a phenomenon called gravitational lensing.

[2] Ideally, astronomers use spectroscopy to determine an object’s distance. The further away a galaxy, the more its light has been stretched by the Universe’s expansion and we can precisely measure this effect, called the redshift, spectroscopically. But objects found at this early epoch (including this gravitationally lensed galaxy) are too dim for astronomers to use spectroscopy. For these fainter objects, astronomers have to rely on a less accurate method that estimates their distance based on their colours.

[3] The actual number of stars produced by this galaxy may be more or less than one every three years; this figure really means that the mass of the stars it produces per year on average is the same as a third of the mass of the Sun.

[4] Reionisation is thought to have occurred 200 million to one billion years after the birth of the Universe.

[5] This galaxy was detected as part of the Frontier Fields programme, an ambitious three-year effort that teams Hubble, NASA’s Spitzer Space Telescope and the Chandra X-ray Observatory with massive galaxy clusters to help astronomers probe the early Universe.

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 A. Zitrin (California Institute of Technology, USA); W. Zheng (John Hopkins University, USA); T. Broadhurst (University of Basque Country UPV/EHU, Spain & Basque Foundation for Science, Spain); J. Moustakas (Siena College, USA); D. Lam (The University of Hong Kong, Hong Kong); X. Shu (DSM/Irfu/Service d’Astrophysique, France & University of Science and Technology of China, China); X. Huang (John Hopkins University, USA & University of Science and Technology of China, China); J.M. Diego (CSIC-Universidad de Cantabria, Spain); H. Ford (John Hopkins University, USA); J. Lim (The University of Hong Kong, Hong Kong); F.E. Bauer (Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chile & Space Science Institute, USA); L.Infante (Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chile); D.D.Kelson (The Observatories of the Carnegie Institution for Science, USA); A. Molino (Instituto de Astrofısica de Andalucıa - CSIC, Spain)

More information

Image credit: NASA, ESA, A. Zitrin (California Institute of Technology, USA)

Links

• Images of Hubble
• STScI release
• Science paper

Contacts

Tom Broadhurst
University of Basque Country UPV/EHU & Basque Foundation for Science
Spain
Tel: +852 2185 6740
Email: tomie325@gmail.com

Adi Zitrin
California Institute of Technology
USA
Tel: +1 626 278 5854
Email: adizitrin@gmail.com

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Cell: +44 7816291261
Email: gbladon@partner.eso.org