특정 은하에서 별들이 폭발적으로 만들어지는 이유

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); A. Leroy; STScI/NASA, ST-ECF/ESA, CADC/NRC/CSA

 

사진1> 폭발적으로 별들을 만들어내는 비결은 무엇일까?
천문학자들이 ALMA를 이용하여 NGC 253을 관측하며 그 이유를 찾아냈다.
ALMA의 관측 데이터는 활동적으로 별들을 생성해내고 있는 지역(노란색)인 별들의 육아실을 감싸고 있는 일산화탄소 껍데기(붉은색)의 존재를 밝혀주었다.
ALMA를 이용하여 이 지역들을 상세하게 해부함으로써 천문학자들은 별의 생성을 추동하는 조건 및 과정에 대한 단서를 발견할 수 있었다.
이 사진은 동일한 지역을 촬영한 허블 우주망원경의 데이터와 ALMA의 데이터를 합성한 것이다.
 

 

별들이 폭발적으로 만들어지는 이유 : ALMA 가 NGC 253의 심장부에 있는 별들의 육아실을 들여다보다.

 

 

'폭발적으로 별을 생성해내는 은하(Starburst Galaxy) '는 엄청난 속도로 가스를 새로운 별로 변환시키는 은하로서 그 속도는 미리내와 같은 전형적인 나선은하에 비해 최고 1천배에 달하기도 한다.

왜 몇몇 은하들에서는 다른 은하들과 달리 이처럼 '폭발적인 별 생성 양상'을 보이는지를 이해하기 위해 국제 천문학 연구팀이 ALMA를 이용하여 지근거리에 위치하고 있는 은하 중 하나인 NGC 253의 심장부에 새로운 별들이 만들어지고 있는 구름 속을 해부해보았다.

 

국립전파천문대의 전임 천문학자인 오하이오 주립대학 아담 레로이(Adam Leroy)의 소감은 다음과 같다.
"모든 별들은 먼지와 가스가 고밀도로 몰려 있는 구름 속에서 탄생합니다.
그러나 아직까지 과학자들은 별들을 폭발적으로 생성해내는 은하들이 다른 은하와 다른 특징이 무엇인지를 정확히 집어내는데 애를 먹고 있죠."

 

ALMA는 아무리 멀리 떨어져 있는 천체라도 별이 생성되고 있는 지역의 개별 구조를 분석해내는 고해상도 기능을 통해 이러한 상황을 바꾸고 있다.
이러한 가능성의 첫번째 단계로서, 레로이와 동료들은 조각실자리 은하라고 알려져 있는 NGC 253 중심에 자리잡고 있는 다중 분자구름의 활동양상과 분포에 대한 지도를 그려냈다.

 

NGC 253은 지금도 새로운 별들을 강도높게 생성하고 있는 은하로서 지구로부터 1150만 광년 거리에 위치하고 있는데 강렬한 별생성 공장으로서는 매우 가까이 위치하고 있는 은하이기도 하다.

이러한 근접성은 NGC 253을 세부 연구를 위한 훌륭한 관측 대상으로 만들어주고 있다.

 

레로이의 설명은 다음과 같다.
"우리가 '폭발적으로 별들을 만들어내는 은하'라고 부르는 유형에 속하는 은하들 또는 일반 은하들 중 일부에서 별이 생성되는 지역이 다른 곳에 비해 가스가 더 풍부히 존재한다는 것은 익히 알고 있는 사실입니다.
우리는 이러한 지역들 중에서 가장 가까운 곳 하나를 골라내어 하나하나 분석을 실시했죠.
바로 왜 이 지역이 다른곳에서보다 훨씬 더 높은 효율로 별들을 만들어내는지를 이해하기 위해서였습니다. "
 

ALMA의 독보적인 감도와 해상도를 이용하여 과학자들은 NGC 253의 중심부에 숨겨져 있는 별들의 육아실 10개를 명확하게 구분해낼 수 있었다.
이들 중 어떤 것들은 다른 지역들과 뒤섞여 있어 이전 버전의 망원경들로는 식별해내기가 확연하게 어려운 것들이었다.

 

연구팀은 이후 은하 중심에 위치하고 있는 서로 다른 분자들로부터 복사되어 나오는 40밀리미터 파장 "신호들"에 대한 분포를 그려냈다.

 

서로 다른 분자들은 각각 별을 생성하고 있는 구름과 그 주변의 서로 다른 조건들과 대응되기 때문에 핵심적으로 중요한 정보에 해당한다.
예를들어 일산화탄소는 별의 육아실을 감싸고 있는 약간 덜 밀집된 가스의 무거운 표피에 대응되는 분자이다.
반면 시안화수소(HCN)는 활발하게 별이 생성되고 있는 고밀도 지역에서 나타난다.
이보다 훨신 드물게 발견되는 H13CN과 H13CO+ 와 같은 분자들은 훨씬더 고밀도 지역을 가리킨다.

 

그 집중양상과 분포, 그리고 이 분자들의 움직임을 비교함으로써 과학자들은 NGC 253에서 별을 만들어내고 있는 구름을 한꺼풀한꺼풀 벗겨낼 수 있었으며 이들이 일반적인 나선은하의 유사한 구름들보다 훨씬 무겁고, 10배 정도 더 고밀도 상태이며 훨신 더 격렬한 폭풍이 발생하고 있는 상태임을 알 수 있었다.

 

이러한 확연한 차이는 폭발적으로 별들을 생성하는데 있어서 새로운 별들을 만들어내는 조절판과 같은 별들의 육아실을 얼마나 가지고 있느냐뿐만 아니라, 어떤 종류의 별들의 육아실을 가지고 있느냐가 중요한 요소로 작용한다는 점을 말해주고 있다.

 

NGC 253에서 별을 만들어내는 구름들은 작은 지역에 엄청난 밀도로 물질들이 뭉쳐 있기 때문에 미리내와 같은 다른 은하들의 구름들보다 훨씬더 많은 별들을 만들어내고 있는 것이다.

 

그러므로 폭발적으로 별들을 생성해내는 은하들은 별들을 생성해 내는 와중에 실재적인 물리적 변화 양상을 보여주게 되는데 이는 그저 별들을 만들어낼 수 있는 물질의 저장고에서 별이 생성된다는 1:1 관계의 사실에만 한정되는 것이 아니다.

 

레로이의 결론은 다음과 같다.
"이러한 차이들은 은하들이  어떻게 성장하고 진화하는가에 대해서 광범위한 영향력을 행사하게 됩니다.
우리가 결국 알게 되는 것은 NGC 253과 같이 폭발적으로 별들을 생성해내는 은하들이 얼마나 더 많은 별들을 만들어내느냐에 그치지 않고, 미리내와 같은 다른 은하들과는 얼마나 다른 유형의 별들을 만들어내느냐 하는 것이 될 것입니다. 

ALMA가 우리를 목표지점에 아주 가까운 곳까지 데려다 준 셈입니다."

 

이번 연구 결과는 Astrophysical Journal에 개재될 예정이며 2015년 2월 15일 미국과학진흥협회(the American Association for the Advancement of Science, AAAS) 모임에서 발표되었다.

 

 

   Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); A. Leroy; STScI/NASA, ST-ECF/ESA, CADC/NRC/CSA

 

 

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); A. Leroy;

 

사진2> 이 사진은 NGC 253에서 폭발적으로 별들을 생성해내고 있는 구름을 ALMA가 촬영한 것이다.
노란색으로 보이는 것이 별들을 생성해내고 있는 고밀도 지역이며 붉은색으로 보이는 것은 별생성지역을 둘러싸고 있는 비교적 낮은 밀도로 일산화탄소가 몰려있는 곳이다.

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF

 

사진3> 관측을 진행중인 ALMA 전파망원경들

 

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 2월 15일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/alma-starburst-2015        

 

참고 : NGC 253을 비롯한 각종 은하에 대한 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

 

원문>

Embargoed for Release:
Sunday, February 15, 2015; 2 p.m. PST

Why Do Starburst Galaxies 'Burst'? ALMA Sees Super Stellar Nurseries at Heart of Sculptor Galaxy

Starburst galaxies transmute gas into new stars at a dizzying pace – up to 1,000 times faster than typical spiral galaxies like the Milky Way. To help understand why some galaxies "burst" while others do not, an international team of astronomers used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to dissect a cluster of star-forming clouds at the heart of NGC 253, one of the nearest starburst galaxies to the Milky Way.

"All stars form in dense clouds of dust and gas," said Adam Leroy, an astronomer formerly with the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, Virginia, and now with The Ohio State University in Columbus. "Until now, however, scientists struggled to see exactly what was going on inside starburst galaxies that distinguished them from other star-forming regions."

ALMA changes that by offering the power to resolve individual star-forming structures, even in distant systems. As an early demonstration of this capability, Leroy and his colleagues mapped the distributions and motions of multiple molecules in clouds at the core of NGC 253, also known as the Sculptor Galaxy.

Sculptor, a disk-shape galaxy currently undergoing intense starburst, is located approximately 11.5 million light-years from Earth, which is remarkably nearby for such an energetic star factory. This proximity makes Sculptor an excellent target for detailed study.

“There is a class of galaxies and parts of galaxies, we call them starbursts, where we know that gas is just plain better at forming stars,” noted Leroy. “To understand why, we took one of the nearest such regions and pulled it apart – layer by layer – to see what makes the gas in these places so much more efficient at star formation.”

ALMA’s exceptional resolution and sensitivity allowed the researchers to first identify ten distinct stellar nurseries inside the heart of Sculptor, something that was remarkably hard to accomplish with earlier telescopes, which blurred the different regions together.

The team then mapped the distribution of about 40 millimeter-wavelength “signatures” from different molecules inside the center of the galaxy. This was critically important since different molecules correspond to different conditions in and around star-forming clouds. For example, carbon monoxide (CO) corresponds to massive envelopes of less dense gas that surround stellar nurseries. Other molecules, like hydrogen cyanide (HCN), reveal dense areas of active star formation. Still rarer molecules, like H13CN and H13CO+, indicate even denser regions.  

By comparing the concentration, distribution, and motion of these molecules, the researchers were able to peel apart the star-forming clouds in Sculptor, revealing that they are much more massive, ten times denser, and far more turbulent than similar clouds in normal spiral galaxies.

These stark differences suggest that it’s not just the number of stellar nurseries that sets the throttle for a galaxy to create new stars, but also what kind of stellar nurseries are present. Because the star-forming clouds in Sculptor pack so much material into such a small space, they are simply better at forming stars than the clouds in a galaxy like the Milky Way. Starburst galaxies, therefore, show real physical changes in the star-formation process, not just a one-to-one scaling of star formation with the available reservoir of material.

“These differences have wide-ranging implications for how galaxies grow and evolve,” concluded Leroy. “What we would ultimately like to know is whether a starburst like Sculptor produces not just more stars, but different types of stars than a galaxy like the Milky Way. ALMA is bringing us much closer to that goal.”

These results are accepted for publication in the Astrophysical Journal and are being presented February 15, 2015, at a news conference at the American Association for the Advancement of Science (AAAS) meeting in San Jose, California.

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