잃어버린 별들에 대한 풀리지 않는 수수께끼.

시작하기 전에, 블로그 쥔장의 사전 설명

우주는 빅뱅이후 대부분의 수소와 약간의 헬륨으로 시작되었기 때문에 1세대의 별들은 수소와 헬륨에 의해서만 구성됩니다.
그리고 이 별들이 핵융합을 통해 무거운 원소들을 만들게 되고, 최후를 맞아 폭발하면서  탄소, 질소, 산소, 네온, 규소, 철과 같은 무거운 원소들이 우주 공간으로 퍼지게 됩니다.
따라서 2세대 별들은 수소나 헬륨 이외에도 1세대 별들이 벼려낸 좀더 무거운 원소들을 함유하게 됩니다.

구상성단은 대부분 우주의 나이만큼이나 오래된 천체들로서 1세대 별들이 많이 존재하고 있으며, 이들이 만들어낸 2세대 별들도 함께 존재하는 양상을 갖습니다.
과학자들은 이 2세대 별들의 수와 이들이 보유한 원소를 통해 1세대 별들이 원래 얼마나 많이 존재했었는지를 추정하게 되는데, 2세대 별들에 의해 유추된 1세대 별들의 수와 실제 구상성단에 존재하는 1세대 별들에 불일치 양상이 있다는 것이 본 뉴스의 시발점이 됩니다.

(1세대 별들이 예상보다 훨씬 적게 있음)

구상성단의 형성에 관한 기존 이론에서는 원래 1세대 별들이 더 많이 있었지만 이들이 구상성단 내의 복잡한 중력 상호작용에 의해 구상성단 밖으로 내쳐졌다는 가설을 수립하고 있습니다.
이러한 가설에 의하면 미리내의 헤일로는 대부분 늙은 별들에 의해 구성되어 있으며 구상성단 역시 헤일로에 존재하므로 결국 구상성단은 늙은 별들 사이에 자리를 잡고 있다는 결론이 나오게 됩니다.

그러나 큰 규모를 가진 미리내의 경우 이 이론은 문제가 없었지만 작은 은하들에서 관측된 구상성단의 경우 구상성단을 구성하는 별들의 비율은 현재 미리내의 구상성단을 구성하는 별들의 비율과 그리 다르지 않음에도 불구하고 미리내의 헤일로에서 보이는 것과 같은 늙은 별들이 발견되지 않았다는 데서 본 뉴스가 제기한 수수께끼가 발생하게 됩니다. 

 

Credit: NASA, ESA, S. Larsen (Radboud University, the Netherlands)

 

사진 1> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 화로자리 왜소은하에 존재하는 4개의 구상성단을 보여주고 있다.
은하의 중심을 공전하고 있는 거대한 별뭉치인 이들 구상성단에 대한 관측 결과는 이들이 미리내에서 발견되는 구상성단과 매우 유사함을 알려주었다.
구상성단의 형성에 대한 선구적 이론에서 발견한 이상한 점은 구상성단이 상당히 많은 늙은 별들 사이에 위치하고 있다고 예측한 부분이다.

결국 구상성단이 어떻게 형성되는지에 대한 수수께끼는 더더욱 미궁속으로 빠져들게 된 것이다.
왼쪽부터 화로자리 1번, 2번, 3번 5번 구상성단이며 이들의 위치는 사진 2번에 표시되어 있다.

 

 

잃어버린 별들에 대한 풀리지 않는 수수께끼.
허블우주망원경의 관측을 통해 구상성단이 어떻게 행성되는지에 대한 의문이 깊어지다.

 

 

허블 우주망원경에게 감사를!
우주에서 가장 미스테리한 천체인 구상성단에 대해 더 많은 수수께끼가 제기되었다.
작은 은하에 존재하는 구상성단에 대한 관측결과, 이 구상성단들은 미리내에서 발견되는 구상성단과들과 매우 유사하며 비슷한 방법으로 형성되었음이 밝혀졌다.

 

구상성단이 어떻게 형성되는지에 관한 선구적인 가설들 중 하나는 구상성단이 수많은 늙은 별들 사이에 서려 있다고 예상하고 있다.
그러나 우리 은하에 두루 존재하는 이들 늙은 별들은 이번에 관측된 작은 은하에서는 보이지 않는다. 따라서 수수께끼는 더더욱 미궁 속으로 빠져들게 되었다.

 

은하의 중심을 공전하는 있지만 매우 멀리 떨어진 곳에 위치하는 거대한 별뭉치인 구상성단은 여전히 가장 큰 우주의 수수께끼로 남아 있다.
구상성단의 별들은 한때 동시대에 함께 태어난 별들로 구성되어 있는 것으로 생각되었다.
그러나 우리 은하에 존재하는 여러 구상성단에 대한 연구 결과는 이들이 훨씬 복잡한 형성의 역사를 가지고 있으며 명백하게 구분되는 최소한 2개 세대의 별들로 구성되어 있음을 보여주었다.

 

구상성단을 구성하는 별들 중 반은 최초에 함께 형성된 보통 별들로 구성되어 있으며 나머지 반은 두번째로 형성된 별들로서 이들은 완전히 다른 화학적 조성을 가지고 있다.
특히 두번째 세대의 별들에서는 첫세대의 별들보다 50배에서 100배 정도 많은 질소를 함유하고 있다.

 

우리 은하의 구상성단에서 발견되는 이들 두번째 세대의 별들은 천문학자들의 예상보다 훨씬 높은 비율로 존재하고 있었는데 이는 첫세대 별들의 상당수를 찾지 못하고 있음을 의미하는 것이었다.

 

이에 대한 선구적인 가설은 성단 내에 원래 훨씬 더 많은 첫세대 별들이 있었지만 과거 어느 한 때 이들 중 상당히 많은 별들이 구상성단으로부터 빠져나갓다고 설명하고 있다.

 

이러한 설명은 미리내의 구상성단을 대상으로 한 설명이다.

 

미리내에서는 구상성단에서 빠져나온 별들이 이들과 유사한 별들이 수없이 많이 존재하는 광활한 헤일로 속으로 쉽게 숨어들어갈 수 있었을 것이다.
그러나 훨씬 작은 은하의 구상성단을 대상으로 한 새로운 관측은 이 이론에 대한 회의를 불러일으켰다.

 

천문학자들은 허블우주망원경의 WFC3를 이용하여 화로자리 왜소 회전 타원체 은하로 알려져 있는 지근거리의 작은 은하에서 4개의 구상성단을 관측하였다[1].

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진 2> 이 사진은 화로자리 왜소은하를 DSS2를 통해 촬영한 것이다.
사진에 표시되어 있는 4개 구상성단은 각각 화로자리 1번, 2번, 3번, 5번 구상성단이다.

이번 논문의 수석저자인 네덜란드 라드보우드 대학의 쇠렌 라르센(Søren Larsen)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 우리 은하의 구상성단들이 애초 생각보다 훨씬 복잡한 양상을 띠고 있으며 왜 이러한 양상을 띠는지에 대한 이론들을 알고 있습니다.
그러나 어떻게 구상성단들이 형성되었는지를 설명하는 우리 이론들에 대한 실제 테스트는 우리로 하여금 다른 환경에서는 어떤 일이 발생하는지를 알아야 할 필요성이 있다는 점을 알려주었죠.
이전까지 우리는 훨씬 작은 은하에서의 구상 성단들이 여러 세대의 별들로 구성되어있는지 여부를 알지 못했죠.
그러나 이번 관측을 통해 이들이 명백히 여러 세대의 별들로 구성되어 있음이 드러났습니다."

 

화로자리의 4개 구상성단에 대한 면밀한 관측 결과는 이들이 이전 세대 별들의 영향을 받은 원소들로 구성된 2세대 별들[2]을 포함하고 있음을 보여주었고, 이는 이 구상성단들이 다른 성단들과 마찬가지의 형성과정을 거쳤으며 그 형성과정은 미리내 구상성단들의 형성과정과 유사하다는 점을 알려주는 것이었다.

 

특히 허블우주망원경을 이용한 측정을 통해 천문학자들은 구상성단내 별들에게 존재하는 질소의 양을 명확하게 측정할 수 있었으며 각 구상성단을 구성하는 별들의 반 정도가 미리내의 구상성단에서 볼 수 있는 것과 같은 수준의 질소를 포함하고 있음을 알게 되었다.
이는 이전 세대의 영향을 받은 2세대 별들이 존재하는 화로자리의 구상성단 형성 과정 역시 미리내 구상성단에 대한 이론이 동일하게 적용될 수 있음을 의미하는 것이었다.

 

2세대 별들의 숫자를 기반으로 봤을 때, 이 구상성단들은 과거에 현재보다 10배에 달하는 질량을 가지고 있었으며 1세대 별들 중 상당수의 별들이 구상성단에서 빠져나가면서 현재의 크기로 줄어들었음을 추론할 수 있다.
그러나 문제는 이들 구상성단을 보유한 은하는 미리내와는 달리 구상성단으로부터 밀려났을 것으로 보이는 별들의 수에 대응되는 충분히 많은 늙은 별들을 보유하고 있지는 않고 있다는 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 덴마크 아라후스 대학의 프랭크 그룬달(Frank Grundahl)의 설명은 다음과 같다.
"만약 구상성단으로부터 밀려난 별들이 있었다면 우리는 그 별들을 볼 수 있었을 것입니다. 그러나 그 별들은 전혀 보이지 않았죠.
화로자리에서는 이 별들이 숨어있을 곳이 없습니다.
따라서 이러한 사실은 이 구상성단들이 과거에 훨씬 더 큰 규모를 가지고 있지 않았을 가능성을 보여주는 것이죠."

 

이번 발견은 구상성단에 여러 세대의 별들이 어떻게 존재하는지에 대한 선구적인 가설이 옳지 않음을 의미하는 것이며 천문학자들은 미리내는 물론 다른 은하들에서 이 수수께끼의 천체들이 어떻게 존재하게 되었는지를 한 번 더 생각해야 함을 의미하는 것이다.

 

이번 논문은 아스트로피지컬 저널 2014년 11월 20일자에 개재되었다.

 

각주
[1] 우리 은하의 중력은 화로자리 은하를 위성은하로서 유지시키고 있다.

 

[2] 이번에 연구된 구상성단들은 화로자리 1, 2, 3, 5번 구상성단이다. 
화로자리 1, 3, 5번 구상성단의 경우 1세대 별이 40%, 2세대 별이 60%를 구성하고 있었으며, 화로자리 2번 구상성단의 경우는 1세대 별 60%, 2세대 별 40%로 구성되어 있었다.

 

 

* 출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 11월 20일 발표 뉴스
            http://www.spacetelescope.org/news/heic1425/ 
 

참고 : 다양한 구상성단을 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

원문>

The riddle of the missing stars

Hubble observations cast further doubt on how globular clusters formed

20 November 2014

Thanks to the NASA/ESA Hubble Space Telescope, some of the most mysterious cosmic residents have just become even more puzzling. New observations of globular clusters in a small galaxy show they are very similar to those found in the Milky Way, and so must have formed in a similar way. one of the leading theories on how these clusters form predicts that globular clusters should only be found nestled in among large quantities of old stars. But these old stars, though rife in the Milky Way, are not present in this small galaxy, and so, the mystery deepens.

Globular clusters — large balls of stars that orbit the centres of galaxies, but can lie very far from them — remain one of the biggest cosmic mysteries. They were once thought to consist of a single population of stars that all formed together. However, research has since shown that many of the Milky Way's globular clusters had far more complex formation histories and are made up of at least two distinct populations of stars.

Of these populations, around half the stars are a single generation of normal stars that were thought to form first, and the other half form a second generation of stars, which are polluted with different chemical elements. In particular, the polluted stars contain up to 50-100 times more nitrogen than the first generation of stars.

The proportion of polluted stars found in the Milky Way's globular clusters is much higher than astronomers expected, suggesting that a large chunk of the first generation star population is missing. A leading explanation for this is that the clusters once contained many more stars but a large fraction of the first generation stars were ejected from the cluster at some time in its past.

This explanation makes sense for globular clusters in the Milky Way, where the ejected stars could easily hide among the many similar, old stars in the vast halo, but the new observations, which look at this type of cluster in a much smaller galaxy, call this theory into question.

Astronomers used Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) to observe four globular clusters in a small nearby galaxy known as the Fornax Dwarf Spheroidal galaxy [1].

"We knew that the Milky Way's clusters were more complex than was originally thought, and there are theories to explain why. But to really test our theories about how these clusters form we needed to know what happened in other environments," says Søren Larsen of Radboud University in Nijmegen, the Netherlands, lead author of the new paper. "Before now we didn’t know whether globular clusters in smaller galaxies had multiple generations or not, but our observations show clearly that they do!"

The astronomers' detailed observations of the four Fornax clusters show that they also contain a second polluted population of stars [2] and indicate that not only did they form in a similar way to one another, their formation process is also similar to clusters in the Milky Way. Specifically, the astronomers used the Hubble observations to measure the amount of nitrogen in the cluster stars, and found that about half of the stars in each cluster are polluted at the same level that is seen in Milky Way's globular clusters.

This high proportion of polluted second generation stars means that the Fornax globular clusters' formation should be covered by the same theory as those in the Milky Way.

Based on the number of polluted stars in these clusters they would have to have been up to ten times more massive in the past, before kicking out huge numbers of their first generation stars and reducing to their current size. But, unlike the Milky Way, the galaxy that hosts these clusters doesn't have enough old stars to account for the huge number that were supposedly banished from the clusters.

"If these kicked-out stars were there, we would see them — but we don't!" explains Frank Grundahl of Aarhus University in Denmark, co-author on the paper. "Our leading formation theory just can't be right. There's nowhere that Fornax could have hidden these ejected stars, so it appears that the clusters couldn't have been so much larger in the past."

This finding means that a leading theory on how these mixed generation globular clusters formed cannot be correct and astronomers will have to think once more about how these mysterious objects, in the Milky Way and further afield, came to exist.

The new work is detailed in a paper published today, 20 November 2014, in The Astrophysical Journal.

Notes

[1] The Milky Way’s gravity keeps Fornax orbiting around us as a satellite galaxy.

[2] The clusters studied were named Fornax 1, 2, 3, and 5. Fornax 1, 3, and 5 are made up of approximately 40% first generation stars to 60% polluted second generation ones, while Fornax 2 contains around 60% first generation and 40% second generation.

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 S. Larsen (Radboud University, the Netherlands), J. P Brodie (University of California, USA), F. Grundahl (Aarhus University, Denmark), and J. Strader (Michigan State University, USA).

More information

Image credit: NASA, ESA, S. Larsen (Radboud University, the Netherlands)

Links

• Images of Hubble
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Contacts

Søren Larsen
Radboud University
Nijmegen, Netherlands
Tel: +31 (0)24 365 2806
Email: s.larsen@astro.ru.nl

Frank Grundahl
Aarhus University
Aarhus, Denmark
Tel: +45 21 31 43 67
Email: fgj@phys.au.dk

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