젊은 콤팩트 은하들의 파티는 끝났다.

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI) Science Credit: P. Sell (Texas Tech University)

그림 1> 이 그래픽은 별들을 만들어내는 왕성한 활동력의 은하가  어떻게 늙은 별들로 구성된 조용한 은하로 빠르게 변화되어 가는지를 묘사하고 있다.
이 시나리오는 두 개의 은하가 충돌하면서 엄청난 양의 가스가 중심지역으로 빨려들어가는 것으로부터 시작된다.(1번)
이러한 가스 압축에 의해 폭발적인 별의 탄생이 촉발되며 이 별들로부터 불어나온 별폭풍이 남은 가스들의 대부분을 밀쳐내버린다.(2번)
이렇게 연료를 모두 잃어버린 은하는 늙은 별들로 구성된 조용한 은하로 남게된다.(3번)

 

젊은 소규모 고밀도 은하들의 파티는 끝났다.

 

과학자들이 허블 우주망원경과 찬드라 X선 망원경을 이용하여 새로운 별들의 탄생 파티가 이미 끝나버린 어린 고밀도 소규모 은하들을 발견했다.
별 탄생의 불꽃이 새로운 세대의 별들을 만드는데 필요한 잔여 가스 연료의 대부분으로부터 밀쳐내버렸다.

이제 가스가 고갈된 이 은하들의 파티는 끝이났고, 오직 늙은 별들만을 보유한 이른바 "붉은 색의 죽은 은하"로 가는 여정에 놓여있다.

 

천문학자들은 무거운 은하들이 얼마나 빠른 속도로, 활동적인 별 제조 공장으로부터 별들이 모두 말라버린 공동묘지로 변해가는지를 수십년동안 논쟁해왔다.

 

이 은하들에 대한 이전 관측에서는 가스들이 시속 320만 킬로미터의 속도로 분출되고 있음을 밝혀준 바 있다.

 

천문학자들은 은하들의 중심부에 은신하고 있는 강력한 괴물 블랙홀들이 바깥으로 몰아쳐나가는 가스의 폭풍을 촉발시켜, 잔여 연료들을 모두 고갈시킴으로써 새로의 별의 탄생 가능성을 막아버리는 것으로 추정해왔다.

 

 

그러나 이번에 별탄생의 광란에서 마지막 단계에 접어든 12개의 충돌이 진행중인 은하에 대한 분석결과는 이 은하의 별들이 별 탄생의 파티를 밝혀주었던 불들을 끄고 있다는 사실을 보여주었다.
이러한 일이 발생한 때는 우주가 현재 나이 137억년의 반 정도에 도달했을 때였다.

Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

사진 1> 허블 우주망원경이 촬영한 12개의 은하들은 모두 밝고 하얀 빛을 뿜어내는 중심핵이 보여주듯이 폭발적인 별 생성이 진행중인 은하들이다.
허블의 관측 데이터는 이 은하들에서 보이는 광란의 별생성이 다른 은하들과의 충돌 때문임을 밝혀주었다.
이 은하들의 상당수에서 보이는 불규칙한 형태는 이들이 충돌이 진행중인 은하임을 말해주는 증거가 된다.
허블 WFC3가 촬영한 새로운 데이터는 별생성의 광란으로부터 발생한 에너지가 가스들을 몰아내는 강력한 폭풍을 만들어내면서 새로운 별들의 탄생을 억누르는 계기가 되었음을 알려주고 있다.

이러한 활동은 현재 137억년인 우주의 나이가 반 정도 지났을 때 발생했다.
이렇게 가스가 고갈된 은하들은 궁극적으로 늙은 별들로만 구성된 이른바 '붉은 색의 죽은' 은하가 될 것이다.
이 은하들은 지금까지 발견된 은하들 중 가장 소규모 고밀도를 가지고 있는 은하들이다.

이들은 미리내와 맞먹는 질량을 가지고 있지만 훨씬 작은 크기를 가지고 있다.
이 중 가장 작은 은하의 폭은 대략 650광년밖에 되지 않는다.
허블의 데이터에 인위적인 색깔을 입힌 이 사진은 은하의 중요한 세부 내역을 밝혀주기 위해 재처리된 것이다.
이 사진들은 2010년에 촬영되었다.

 

이번 논문의 수석 저자이자 텍사스 공과대학 소속 폴 셀(Paul Sell)의 설명은 다음과 같다.
"우리 연구 이전에 일반적인 상식은 별들이 은하에서 외곽으로 빠져나가는 높은 속도의 기류를 추동시키지는 못한다는 것이었으며,  이 일은 오직 강력한 초거대 질량의 블랙홀에 의해서만 가능한 것으로 보고 있었습니다.
그런데 우리의 발견 결과를 분석한 결과 만약 당신이 이번에 허블이 관측한 것과 같이 별들을 충분히 만들어낼 수 있는 고밀도의 은하를 가지고 있다면 구태여 블랙홀을 개입시킬 필요없이 별들만으로도 가스들을 외곽으로 모두 밀어내버리기에 충분한 가속을 만들어낼 수 있다는 것을 알게 되었습니다. "

 

연구팀의 일원인 위스콘신-매디손 대학의 크리스티 트레몬티(Christy Tremonti)는 슬로안 디지털 스카이 서베이(the Sloan Digital Sky Survey, 이하 SDSS)로부터 빠른 속도로 가스 분출을 쏟아내는 별폭발 이후의 천체에 대한 연구를 진행하는 과정에서 이들을 처음으로 식별해냈다.

 

허블 WFC3의 고해상도 가시광 관측 데이터는 외곽으로 쏟아져나오는 폭풍이 지금까지의 발견으로는 대부분의 소규모 고밀도 은하들에서 발생하고 있음을 알려주고 있다.
이 은하들은 모두 미리내와 같은 질량을 가지고 있지만 훨씬 작은 영역안에 응집되어 있는 은하들이다.

이중에서 가장 작은 은하의 폭은 대략 650광년밖에 되지 않는다.

 

이처럼 좁은 지역에서 이 은하들은 매년 수백개 수준의 별들을 만들어내고 있다.
(우리 은하의 경우 일년에 만들어내는 별은 고작 하나 꼴이다.)

 

이러한 수준은 광란의 파티를 만들어 냄과 동시에 고작 수천만년만에 빠른 마모도 동반하였다.
별들의 생성이 중단된 하나의 원인은 가스가 너무나 빠르게 가열되어 중력하에서 새로운 별들을 형성하기에 너무나 뜨거워졌다는 점을 들 수 있으며, 또 하나의 가능성은 별탄생의 광란이 만들어낸 강력한 별폭풍을 통해 별제작에 필요한 가스의 상당부분이 밖으로 밀쳐져나왔다는 것이다.

 

연구팀의 일원이자 2012년 논문을 통해 이 은하들에서 보이는 폭풍이 별의 생성에 의해 촉발되었을 가능성을 처음으로 언급한 위스콘신-매디손 대학의 알렉스 다이아몬드-스타닉(Aleks Diamond-Stanic)의 설명은 다음과 같다.
"허블 관측 데이터에서 가장 놀라운점은 새로 탄생한 별들이 너무나 가까운 거리에서 형성되고 있다는 점을 알게 되었다는 사실입니다.
이 은하들 중심부의 극단적인 물리적 조건들은 이들이 어떻게 시속 수백만 킬로미터의 속도로 가스를 분출하고 있는지를 설명해 줍니다."

 

초고속의 폭풍을 촉발시킨 메커니즘을 식별하기 위해 셀과 동료들은 찬드라 X선 망원경과 다른 망원경들을 이용하여 태양 질량의 10억배 이상의 질량을 가진 이 은하들의 초거대질량 블랙홀이 이 폭풍을 추동시킨 원인이었는지 여부를 확인하였다.

그리고 관측 데이터를 분석한 결과 연구팀은 블랙홀이 이 격류의 원천이 아니라고 결론지었다.
오히려 이것은 가장 무거운 질량을 가지고 있으면서 짧은 수명을 가진 별들이 수명을 마치면서 뿜어내는 강력한 별폭풍과 초신성 폭발력에 의한 것이었다.

 

허블과 찬드라의 관측 데이터를 분석한 결과에 기반하여 연구원들은 가스를 풍부하게 가진 두 개의 은하들이 충돌할 때 차가운 가스의 격류가 충돌하는 은하들의 고밀도 중심부로 빨려들어가면서 '파티가 개막'되었다고 얘기했다.

그리고 엄청난 양의 가스들이 작은 지역으로 압축해 들어가면서 수많은 별들의 탄생을 촉발시켰다.
이렇게 폭발적으로 생성한 별로부터 몰아쳐나온 폭풍이 남은 가스들을 몰아내면서 더 이상의 별 생성 가능성을 막아버린 것이다.

 

위스콘신-매디손 대학의 대학원생 시절 이번 연구를 이끈 셀의 설명은 다음과 같다.
"별을 생성시키는 차가운 가스의 흐름을 막아버린 것. 바로 그 사건입니다.
그로 인해 별의 형성은 정지되었고, 은하는 빠른 속도로 진화하고 있으며 결국 붉은 색의 죽은 타원은하가 될 것입니다.
극단적이고 폭발적으로 별들이 만들어지는 경우는 매우 드물죠. 그러나 이들은 그 결과  우리 주변에서 볼 수 있는 것과 같은 전형적인 거대 타원은하가 될 수 없게 되었던 것이고,  그 대신 보다 소규모의 고밀도 은하가 될 것으로 보입니다."

 

이번 연구 결과는 왕립 천문학회 월간 소식지 7월 11일판에 개재되었다.

 

 

사진 2> J0826+4305  Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 3> J0944+0930  Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 4> J1104+5946   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 5> J1359+5137  Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 6> J1506+5402   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 7> J1506+6131   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 8> J1558+3957   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 9> J1613+2834  Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 10>  J1634+4619   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 11> J1713+2817   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 12> J2118+0017   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

 

사진 13> J2140+1209   Credit: NASA, ESA, and P. Sell (Texas Tech University)

 

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 11월 13일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/48/

 

참고 : 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 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>

News Release Number: STScI-2014-48

The Party's Over for These Youthful Compact Galaxies

Researchers using NASA's Hubble Space Telescope and Chandra X-ray Observatory have uncovered young, massive, compact galaxies whose raucous star-making parties are ending early. The firestorm of star birth has blasted out most of the remaining gaseous fuel needed to make future generations of stars. Now the party's over for these gas-starved galaxies, and they are on track to possibly becoming so-called "red and dead galaxies," composed only of aging stars.

Astronomers have debated for decades how massive galaxies rapidly evolve from active star-forming machines to star-starved graveyards. Previous observations of these galaxies reveal geysers of gas shooting into space at up to 2 million miles an hour. Astronomers have suspected that powerful monster black holes lurking at the centers of the galaxies triggered the gaseous outflows and shut down star birth by blowing out any remaining fuel.

Now an analysis of 12 merging galaxies at the end of their star-birthing frenzy is showing that the stars themselves are turning out the lights on their own star-making party. This happened when the universe was half its current age of 13.7 billion years.

"Before our study, the common belief was that stars cannot drive high-velocity outflows in galaxies; only more powerful supermassive black holes can do that," explained Paul Sell of Texas Tech University in Lubbock, lead author of a science paper describing the study's results. "Through our analysis we found that if you have a compact enough starburst, which Hubble showed was the case with these galaxies, you can actually produce the velocities of the outflows we observed from the stars alone without needing to invoke the black hole."

Team member Christy Tremonti of the University of Wisconsin-Madison first identified the galaxies from the Sloan Digital Sky Survey as post-starburst objects spouting high-speed gaseous fountains. The sharp visible-light views from Hubble's Wide Field Camera 3 show that the outflows are arising from the most compact galaxies yet found. These galaxies contain as much mass as our Milky Way galaxy, but packed into a much smaller area. The smallest galaxies are about 650 light-years across.

In such small regions of space, these galaxies are forming a few hundred suns a year. (By comparison, the Milky Way makes only about one sun a year.) This makes for a rowdy party that wears itself out quickly, in only a few tens of millions of years. one reason for the stellar shutdown is that the gas rapidly heats up, becoming too hot to contract under gravity to form new stars. Another possibility is that the star-birthing frenzy blasts out most of the star-making gas via powerful stellar winds.

"The biggest surprise from Hubble was the realization that the newly formed stars were born so close together," said team member Aleks Diamond-Stanic of the University of Wisconsin-Madison, who first suggested the possibility of starburst-driven outflows from these galaxies in a 2012 science paper. "The extreme physical conditions at the centers of these galaxies explain how they can expel gas at millions of miles per hour."

To identify the mechanism triggering the high-velocity outflows, Sell and his team used the Chandra X-ray Observatory and other telescopes to determine whether the galaxies' supermassive black holes (weighing up to a billion suns) were the powerhouses driving them. After analyzing all of the observations, the team concluded that the black holes were not the source of the outflows. Rather, it was the powerful stellar winds from the most massive and short-lived stars at the end of their lives, combined with their explosive deaths as supernovae.

Based on their analysis of the Hubble and Chandra data, team members suggest that the "party begins" when two gas-rich galaxies collide, funneling a torrent of cold gas into the merging galaxies' compact center. The large amount of gas compressed into the small space ignites the birth of numerous stars. The energy from the stellar firestorm then blows out the leftover gas, quenching further star formation.

"If you stop the flow of cold gas to form stars, that's it," explained Sell, who conducted the research while a graduate student at the University of Wisconsin-Madison. "The stars stop forming, and the galaxy rapidly evolves and may eventually become a red, dead elliptical galaxy. These extreme starbursts are quite rare, however, so they may not grow into the typical giant elliptical galaxies seen in our nearby galactic neighborhood. They may, instead, be more compact."

The team's results were published in the July 11 edition of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@nasa.gov / villard@stsci.edu

Paul Sell
Texas Tech University, Lubbock, Texas
806-742-7129
paul.sell@ttu.edu