ESO 137-001 : 은하 충돌의 숨겨진 사실을 밝혀준 MUSE

 

Credit: ESO/M. Fumagalli

 

사진 1> ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 탑재된 MUSE 장비가 천문학자들에게 장대한 우주의 충돌에 대한 최상의 관측 데이터를 제공해 주었다.
이번 관측은 ESO 137-001 이라는 은하가 빠른 속도로 광활한 은하단을 파고 들어갈 때 발생하는 가스파동의 움직임을 밝혀주었다.
이번 연구 결과는 오랜동안 수수께끼로 남아 있던 질문인 '왜 은하단에서 별의 생성이 잦아들게 되는가?'에 대해 핵심적인 단서를 제시해 줄 것이다. 

사진의 색깔은 가스 필라멘트의 움직임을 보여주고 있다.
붉은 색은 물질들이 지구 반대 방향으로 멀어지는 부분이고 파란색은 지구쪽으로 향하는 물질의 움직임을 나타낸다.
사진의 상단 좌측과 하단 우측 부분은 허블우주망원경의 사진을 이용하여 채워졌음에 유의하라.

 

 

 

Credit: ESO/M. Fumagalli

사진 2> 이 사진은 사진 1에 대해 거의 자연색에 가까운 색을 보여주고 있다. 붉은 색으로 보이는 부분은 수소 가스들이 불타오르고 있는 부분이다.
 

은하 충돌의 숨겨진 사실을 밝혀준 MUSE

 

ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 탑재된 MUSE 장비가 천문학자들에게 장대한 우주의 충돌에 대한 최상의 관측 데이터를 제공해 주었다.

이번 관측은 ESO 137-001 이라는 은하가 빠른 속도로 광활한 은하단을 파고 들어갈 때 발생하는 가스파동의 움직임을 밝혀주었다.

이번 연구 결과는 오랜동안 수수께끼로 남아 있던 질문인 '왜 은하단에서 별의 생성이 잦아들게 되는가?'에 대해 핵심적인 단서를 제시해 줄 것이다.

 

외계은하 천문 그룹(the Extragalactic Astronomy Group)과 더램 대학 계산 우주론 연구소(the Institute for Computational Cosmology
at Durham University)의 미셸 푸마갈리(Michele Fumagalli)가 이끄는 연구팀은 VLT에 장착된 MUSE(광시야분광관측기, Multi Unit Spectroscopic Explorer)를 처음으로 사용한 연구팀 중 하나이다.

 

관측 대상이 된 ESO 137-001은 남쪽 삼각형 자리, 2억 광년 거리에 위치하는 나선은하로서 연구팀은 이 은하가 노마 은하단에 파고 들어갈 때 정확하게 어떤 일이 발생하는지에 대한 최상의 장면을 볼 수 있었다.

 

MUSE는 천문학자들에게 사진 뿐 아니라 프레임의 각 픽셀당 분광데이터도 함께 제공해 준다.
이 장비를 이용하여 천문학자들은 대상을 관측하는 매 시간 마다 9만여개의 분광 데이터를 모을 수 있었고 이로부터 관측 대상의 움직임과 속성에 대해 놀랄만큼의 상세한 데이터를 얻을 수 있었다 [1].

 

ESO 137-001 은 어떤 물체가 액체나 가스를 빠르게 통과할 때 물질을 강탈당하는 현상인 '램 프레서 스트리핑(ram-pressure stripping)'이라는 현상을 보여주었다.

이러한 현상은 움직이는 차장에 강아지가 머리를 내밀었을 때 털이 뒤로 불려나가는 현상과 유사한 현상이다.
이 때의 가스는 은하단을 감싸고 있는 매우 얇고 뜨거운 광활한 가스 구름의 한 부분이며 ESO 137-001은하는 이 은하단에 시속 수백만 킬로미터의 속도로 추락하고 있다[2].
 
이 은하에서 벗겨내지고 있는 가스의 대부분은 새로운 세대의 별들을 만들어내는데 필요한 연료이다.

이로인해 은하형성의 중간 단계에 있는 ESO 137-001은 가스를 풍부하게 지닌 푸른색의 은하에서 가스가 거의 고갈된 붉은 색의 은하로 변해가고 있다.

 

천문학자들은 이번 관측이 오랫동안 유지되어온 과학적 의문을 풀어줄 것으로 예측하였다.

 

푸마갈리의 설명은 다음과 같다.
"왜, 그리고 어떻게 은하단 내의 은하들이 짧은 시간내에 푸른색의 은하에서 붉은 색의 은하로 변해가는지를 알아내는 것은 현대 천문학의 주요 과제 중 하나입니다.
이번에 잡아낸 은하는 바로 이러한 현상을 보여주는 은하로서 어떻게 이러한 일이 일어나는지를 탐구할 수 있게 해주었죠."

 

그러나 이러한 우주적인 장관을 관측한 것 자체가 바로 업적인 것은 아니다.

 

노마 은하단은 미리내의 평면 상에 가까이 위치하고 있어 미리내의 풍부한 먼지와 가스 뒤에 숨겨져 있는 은하단이다.

 

 

Credit:NASA, ESA, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgements: Ming Sun (UAH) and Serge Meunier. Music: movetwo

그러나 칠레 파라날 천문대의 8미터 망원경 중 하나에 장착된 MUSE를 이용하여 대상 은하 주위를 둘러싸고 있는 가스를 탐사해낼 수 있었을 뿐 아니라 이 가스가 어떻게 움직이는지도 알아낼 수 있었다.
이 새로운 장비는 단 한시간의 관측으로도 가스의 움직임 및 그 분포 뿐 아니라 대상 은하에 대한 고해상도의 사진을 획득할 수 있을만큼의 효율을 자랑하고 있다.

 

이번 관측 결과에 의하면 ESO 137-001의 외곽에서는 이미 가스가 거의 고갈된 상태이다.
이러한 결과는 ESO 137-001이 은하단의 중심부를 향해 움직일 때, 수백만도로 가열된 은하단의 가스가 ESO 137-001의 차가운 가스를 밀어내버렸기 때문에 발생한 것이다.
이러한 현상은 우선 중심부보다는 더 앏게 별과 물질들이 퍼져 있으면서 가스를 쥐고 있는 중력이 상대적으로 약한 나선팔쪽에서 우선 발생하였다.
그러나 은하의 중심부에서는 이 우주적인 중력조석 작용의 와중에 보다 오랫동안 가스를 쥐고 있기 충분할 만큼 중력이 강력하여 여전히 가스가 관측되고 있다.

 

결국 은하의 모든 가스는 은하로부터 떨어져나오면서 ESO 137-001의 뒤쪽으로 밝은 궤적을 남기게 될 것이고 이것은 우주적 강탈 사건을 말해주는 증거가 될 것이다.

 

이 은하로부터 뜯겨져 나온 가스가 은하단의 뜨거운 가스와 뒤섞이면서 무려 20만 광년이 넘는 거리까지 펼쳐진 장대한 꼬리를 만들어내고 있다.
연구팀은 이러한 상호작용이 만들어낸 기류를 보다 더 잘 이해하기 위해 이를 더 확대하여 관측하였다.

 

MUSE를 이용한 관측 결과는  놀랍게도 이 가스다발들이 우주공간으로 내팽겨쳐졌음에도 은하 내에서와 마찬가지로 회전을 계속하고 있는 양상을 보여주었다.

더군다나 과학자들은 ESO 137-001 내에 존재하는 별들의 회전 역시 전혀 변화가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 현상은 은하의 가스를 뜯어내는 현상이 중력 때문이 아니라 은하단의 가스에 의해 발생하는 것이라는 추가적인 증거를 제시하고 있는 것이다[3].

 

이번 논문의 공동저자인  뮌헨 스테른바르트 대학 및  막스 플랑크 외계행성 물리학 연구소(Universitats-Sternwarte Munchen and Max-Planck-Institut fur extraterrestrische Physik, Garching, Germany), 마테오 포사티(Matteo Fossati)의 소감은 다음과 같다.
"MUSE에 의해 밝혀진 세부 데이터를 이용하여 우리는 이와 같은 충돌 양상에서 발생하는 현상에 대한 이해에 한 걸음 더 다가설 수 있게 되었습니다.
우리는 이 은하와 가스의 운동을 세부적으로 관측했죠.
관측대상 중에서는 MUSE가 아니라면 볼 수 없었을 현상들도 존재합니다.
이번 발견과 앞으로의 관측은 은하의 진화를 가속시키는 것이 무엇인가에 대한 우리의 이해를 보다 더 발전시켜 줄 수 있을 것입니다."

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 표는 남쪽 삼격형 자리에서 ESO 137-001 의 위치를 보여주고 있다.
이 부분은 우리 은하와 가까운 부분이어서 수많은 천체들이 몰려있는 부분인데 ESO 137-001은 너무나 희미하여 큰 망원경이 있어야만 볼 수 있다.
 

 

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진 3> 이 사진은 ESO 137-001의 주변을 촬영한 광대역 사진으로서 ESO 137-001은 사진 하단 우측에 위치하고 있다.
이 부분은 미리내의 남쪽 부분으로서 수많은 별들이 전면을 가득 채우고 있다.
이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영 및 제작된 것이다.

 

Credit: NASA, ESA, CXC

 

사진 4> 이 사진은 허블 우주망원경과 찬드라 X선 망원경의 데이터를 조합한 사진이다.
ESO 137-001로부터 뿜어져나오는 푸른색 램 프레서 스트리핑(ram pressure stripping)의 궤적 뿐 아니라, 사진 하단으로 확장되어 있는 거대한 가스의 흐름도 볼 수 있는데, 이것은 스펙트럼 상의 X선 영역에서만 관측 가능하다.

 

각주

 

[1] MUSE는 8미터 망원경에 장착된 바 있는 장비 중 전체 탐사 영역의 분광데이터를 축적할 수 있는 최초의 거대 장비이다.
이전 ESO 137-001 에 대한 연구에서는 50개 이상의 분광분석 데이터를 수집할 수 없었다.

 

[2] 이전에 허블 우주망원경이 이 은하에 대한 인상적인 사진을 제공한 바 있긴 하지만 MUSE와는 달리 물질들의 흐름을 밝혀주지는 못했다.

 

[3] 만약 중력이 이처럼 가스를 벗겨내는 작용에서 일정 역할을 수행하고 있었다면 과학자들은 은하 내에서 붕괴현상이 발생하고 있을 것이라고 예측했을 것이다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 11월 10일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1437/

 

참고 : ESO VLT에 장착된 MUSE에 대한 상세한 내용은 아래 링크를 참고하세요.
          https://big-crunch.tistory.com/12347147 

참고 : 허블 우주망원경의 관측을 근거로 발표된 ESO 137-001 에 대한 뉴스는 아래 링크를 참고하세요.         
         https://big-crunch.tistory.com/12347138

참고 : ESO 137-001을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하군 : https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 : https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

 

원문>

eso1437 — Science Release

MUSE Reveals True Story Behind Galactic Crash

10 November 2014

The new MUSE instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) has provided researchers with the best view yet of a spectacular cosmic crash. The new observations reveal for the first time the motion of gas as it is ripped out of the galaxy ESO 137-001 as it ploughs at high speed into a vast galaxy cluster. The results are the key to the solution of a long-standing mystery — why star formation switches off in galaxy clusters.

A team of researchers led by Michele Fumagalli from the Extragalactic Astronomy Group and the Institute for Computational Cosmology at Durham University, were among the first to use ESO’s Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument on the VLT. Observing ESO 137-001 — a spiral galaxy 200 million light-years away in the southern constellation of Triangulum Australe (The Southern Triangle) — they were able to get the best view so far of exactly what is happening to the galaxy as it hurtles into the Norma Cluster.

MUSE gives astronomers not just a picture, but provides a spectrum — or a band of colours — for each pixel in the frame. With this instrument researchers collect about 90 000 spectra every time they look at an object, and thereby record a staggeringly detailed map of the motions and other properties of the observed objects [1].

ESO 137-001 is being robbed of its raw materials by a process called ram-pressure stripping, which happens when an object moves at high speed through a liquid or gas. This is similar to how air blows a dog’s hair back when it sticks its head out of the window of a moving car. In this case the gas is part of the vast cloud of very thin hot gas that is enveloping the galaxy cluster into which ESO 137-001 is falling at several million kilometres per hour [2].

The galaxy is being stripped of most of its gas — the fuel needed to make the next generations of young blue stars. ESO 137-001 is in the midst of this galactic makeover, and is being transformed from a blue gas-rich galaxy to a gas-poor red one. Scientists propose that the observed process will help to solve a long-standing scientific riddle.

“It is one of the major tasks of modern astronomy to find out how and why galaxies in clusters evolve from blue to red over a very short period of time,” says Fumagalli. “Catching a galaxy right when it switches from one to the other allows us to investigate how this happens.”

Observing this cosmic spectacle, however, is no mean feat. The Norma Cluster lies close to the plane of our own galaxy, the Milky Way, so it is hidden behind copious amounts of galactic dust and gas.

With the help of MUSE, which is mounted on one of the VLT’s 8-metre Unit Telescopes at the Paranal Observatory in Chile, scientists could not only detect the gas in and around the galaxy, but were able to see how it moves. The new instrument is so efficient that a single hour of observing time was sufficient to obtain a high resolution image of the galaxy as well as the distribution and motion of its gas.

The observations show that the outskirts of ESO 137-001 are already completely devoid of gas. This is a result of the cluster gas — heated to millions of degrees — pushing the cooler gas out of ESO 137-001 as this drives towards the centre of the cluster. This happens first in the spiral arms where the stars and matter are more thinly spread than at the centre, and gravity has only a relatively weak hold over the gas. In the centre of the galaxy, however, the gravitational pull is strong enough to hold out longer in this cosmic tug-of-war and gas is still observed.

Eventually, all of the galactic gas will be swept away into bright streaks behind ESO 137-001 — telltale remnants of this dramatic robbery. The gas that is torn away from the galaxy is mixed with the hot cluster gas to form magnificent tails extending to a distance of over 200 000 light-years. The team had a closer look at these streams of gas to better understand the turbulence created by the interaction.

Surprisingly the new MUSE observations of this gas plume show that the gas continues to rotate in same way the galaxy does, even after being swept out into space. Furthermore, researchers were able to determine that the rotation of stars in ESO 137-001 remains unchanged. This provides further evidence for the cluster gas, not gravity, being responsible for stripping the galaxy [3].

Matteo Fossati (Universitäts-Sternwarte München and Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany) and a co-author of the paper concludes: “With the details revealed by MUSE we are getting closer to fully understanding the processes that go on in such collisions. We see the motions of the galaxy and the gas in detail — something that wouldn’t be possible without the new and unique MUSE instrument. These and future observations will help us develop a better idea of what is driving the evolution of galaxies.”

Notes

[1] MUSE is the first large integral field spectrograph ever installed at an 8-metre telescope. As a comparison, previous studies of ESO 137-001 collected no more than 50 spectra.

[2] The NASA/ESA Hubble Space Telescope has provided a spectacular image of this object — but, unlike MUSE, cannot reveal the motions of the material.

[3] If gravity were to play a role in the stripping process, the researchers would have expected to see disruptions within the galaxy.

More information

This research was presented in a paper entitled “MUSE sneaks a peek at extreme ram-pressure stripping events. I. A kinematic study of the archetypal galaxy ESO137-001” to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on 10 November 2014.

The team is composed of Michele Fumagalli (Extragalactic Astronomy Group and Institute for Computational Cosmology, Durham University, United Kingdom), Matteo Fossati (Universitäts-Sternwarte München and Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany), George K. T. Hau (ESO, Santiago, Chile), Giuseppe Gavazzi (Università di Milano-Bicocca, Italy), Richard Bower (Extragalactic Astronomy Group and Institute for Computational Cosmology, Durham University, United Kingdom), Alessandro Boselli (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, France) and Ming Sun (Department of Physics, University of Alabama, USA).

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 VLT
• Press release on first light of MUSE
• Hubble imaging of ESO 137-001

Contacts

Michele Fumagalli
Institute for Computational Cosmology, Durham University
Durham, United Kingdom
Tel: +44 191 334 3789
Email: michele.fumagalli@durham.ac.uk

Matteo Fossati
Universitäts-Sternwarte München and Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Munich, Germany
Tel: +49 89 30000 3890
Email: mfossati@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO education and Public Outreach Department
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