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A1689-zD1 : 갓 태어난 우주의 조숙한 은하 본문

3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)

A1689-zD1 : 갓 태어난 우주의 조숙한 은하

다락방별지기 2015. 3. 3. 23:18

 

Credit:
NASA; ESA; L. Bradley (Johns Hopkins University); R. Bouwens (University of California, Santa Cruz); H. Ford (Johns Hopkins University); and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

사진1> 허블우주망원경이 촬영한 이 멋진 사진에는 수많은 은하들이 몰려있는 Abell 1689은하단의 모습이 담겨 있다.

            거대한 질량의 집중양상으로 인해 훨씬 멀리 떨어진 천체에서 출발한 빛이 구부러지게 되고 이를 통해 겉보기 밝기가 증가되면서

            멀리 떨어진 천체가 그 모습을 드러내게 된다.

            그 중 하나가 바로 A1689-zD1 이라는 은하로서 네모 박스 상에 위치하고 있다.
            중력렌즈 현상에도 불구하고 그 빛은 아직 너무나 희미하여 이 사진에서조차 보기는 쉽지 않다.

            ALMA와 ESO의 VLT를 통한 새로운 관측 결과 이 은하는 우주의 나이가 7억년밖에 되지 않았을 때의 은하라는 것이 확정되었으며

            먼지가 가득한 은하라는 사실이 밝혀졌다.


 

 

갓 태어난 우주의 조숙한 은하

 


천문학자들이 지금까지 관측된 가장 멀리 떨어진 은하들 중 하나에서 별의 형성 중에 만들어진 먼지의 증거를 처음으로 감지해냈으며 빅뱅이후 빠르게 진화해가는 은하에 대한 단서들을 포착해냈다.

이러한 새로운 발견은 A1689-zD1이라는 은하의 차가운 먼지 속에서 발생한 희미한 섬광을 ALMA를 이용하여 포착해내면서 이루어졌으며 이 은하까지의 거리는 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 의해 측정되었다.


 

코펜하겐 대학의 다라크 왓슨(Darach Watson)이 이끄는 연구팀은 ALMA와 함께 VLT에 장착된 X-슈터 장비를 이용하여 지금까지 발견된 가장 멀리 떨어지고, 가장 어린 은하들 중 하나를 관측했다.

그리고 연구팀은 이 은하가 예상보다 훨씬 더 진화된 양상을 보여주고 있다는 사실에 놀라지 않을 수 없었다.

 

이 은하는 마치 미리내와 같은 오늘날의 성숙한 은하들에서 발견되는 것과 유사한 먼지 덩어리를 가지고 있었던 것이다.

이와 같은 먼지는 생명작용에 있어 필수적인 성분이다.
왜냐하면 이 먼지들이 결국 행성의 형성과 복잡한 분자들, 그리고 일반적인 형태의 별들이 만들어지는 것을 돕기 때문이다.

 

이번 관측의 목표가 된 은하는 A1689-zD1 이라 불리는 은하이다[1].

 

이 은하는, 은하와 지구사이에 자리잡고 있는 Abell 1689라는 장대한 은하단에 의해 형성된 중력렌즈 효과에 의해 그 밝기가 9배 이상 강화되면서 관측이 가능하게 된 은하이다.

이러한 중력렌즈의 작용이 없었다면 매우 희미한 이 은하로부터 발생한 빛은 너무나 미약해서 탐사되지 않았을 것이다.

 

우리가 목격하고 있는 A1689-zD1 은하는 우주의 나이가 고작 7억년 밖에 되지 않았을 때, 즉, 현재 우주 나이 대비 5% 밖에 되지 않은 시점에 존재하는 은하이다 [2].

 

이 은하는 상대적으로 단촐한 편에 속하는 은하이다.
유사한 시대에 존재하는 은하로서 연구된 다른 은하들에 비해 질량도 훨씬 적고 밝기도 훨씬 적은 은하인데 이러한 이유로 이 당시 은하로서는 좀더 전형적인 예에 속하는 은하라 할 수 있다.

 

 

Credit:
ESO/J. Richard

사진2> 이 사진은 허블우주망원경에 장착된 WFC3 의 적외선과 가시광선으로 촬영된 사진으로 Abell 1689은하단의 일정 부분을 확대한 사진이다.

           네모박스 안에 바로 A1689-zD1 이라는 원시은하가 길쭉한 붉은 빛의 형채로 그 모습을 드러내고 있다.

           이 은하의 빛은 은하단의 중력렌즈 효과에 의해 9배 이상 확대된  것이다.

 

 

 

A1689-zD1은 재이온화 와중의 시기에 관측되는 은하이다.
재이온화 시기란 초창기의 별들이 우주의 여명을 도래하게 만들기 시작한 때로서 별들이 처음으로 광활하고 투명한 우주를 비추기 시작하면서 암흑시대의 종말을 고한 때이다.


그런데 이 은하는 새로 형성된 천체에서 예견된 것보다 훨씬 더 풍부한 화학적 복잡성과 성간 먼지로 인해 천문학자들을 놀라게 만들었다.

 

다라크 왓슨의 소감은 다음과 같다.
"VLT를 이용하여 이 은하까지의 거리를 확정한 후  우리는 이 천체가 이미 이전에 ALMA에 의해 관측된 적이 있다는 것을 알게 되었죠.
 우리는 그다지 많은 것을 발견할 것이라고 기대하지는 않았습니다만, 이 천체가 그저 ALMA에 의해서 관측되었을 뿐 아니라, 매우 선명하게 관측되었다는

 사실에는 정말 흥분하지 않을 수 없었다고 말할 수 있습니다. 

 ALMA를 이용한 천체관측의 주요 목표 중 하나는 차가운 가스와 먼지로부터 발생하는 복사를 이용하여 초기 우주의 은하들을 발견해내는 것에 있습니다.

 바로 그것이 실현된 것이죠."
 
이 은하는 우주의 신생아임에도 조숙한 면을 보여주고 있다.

 

이 은하가 관측되는 시기에는 비교적 무거운 화학적 원소들은 결핍되어 있는 양상을 보여줄 것으로 여겨지고 있었다.
여기서 무거운 화학적 원소들이란 천문학적 재료로 여겨지는 수소나 헬륨보다 더 무거운 원소들을 말한다.

 

무거운 원소들은 부풀어오르는 별의 내부에서 생성되며 별이 폭발되거나 다른 양상으로 최후를 맞을 때 광범위하게 흩뿌려지게 된다.

 

이 와중에 탄소나 산소, 질소와 같은 무거운 원소들이 확연하게 많아지기 위해서는 수세대에 걸쳐 별들의 탄생과 죽음이 반복되는 과정이 필요하다.

 

놀랍게도 A1689-zD1 은하에서는 원적외선 대역에서 상당히 많은 복사선들이 방출되고 있는 것으로 보였는데 [3], 이러한 사실은 이미 이 은하에서 수많은 별들이 탄생되었으며 엄청난 양의 원소들이 생성되었음을 말해주는 것이었다.
또한 단순히 먼지 뿐만 아니라 훨씬 성숙한 은하에서 발견되는 것과 유사한 먼지와 가스의 상대비율이 드러나기도 했다. 

 

다라크 왓슨의 설명은 다음과 같다.
"비록 이 은하에서 먼지의 정확한 기원이 무엇일지는 여전히 불분명한 상황입니다만, 우리의 발견은 이 먼지들이 매우 빠르게, 그러니까 별의 형성이

 시작되고 난지 5억년 이내부터 생성되기 시작했음을 알려주고 있습니다.
 대부분의 별들이 수십억년의 수명을 가지고 있다는 것을 봤을 때, 이는 우주적 견지에서 보면 매우 짧은 시간에 해당합니다."  

 

이번 발견은 A1689-zD1 은하가 빅뱅으로부터 5억 6천만년이 지난 후부터는 중간 정도의 비율로 별의 생성을 지속했거나 별의 생성이 쇠퇴기로 접어들기 바로전까지 엄청나게 폭발적인 비율로 빠르게 별들을 생성하는 단계를 지났음을 제안하는 결과이다.

 

이번 결과 이전까지 천문학자들은 이처럼 멀리 떨어진 은하들은 이처럼 세부적인 탐사가 불가능한 것으로 생각하고 있었지만 A1689-zD1는 ALMA를 이용한 짧은 관측만으로도 그 탐사가 가능했다.  

 

이번 논문의 공동저자인 스웨덴 차머스 공과대학 키르스텐 크누센(Kirsten Knudsen)의 소감은 다음과 같다.
 "먼지가 가득한 이 놀라운 은하는 첫세대의 별을 어마어마하게 빠른 속도로 만들어낸 것으로 보입니다.
  앞으로 ALMA를 이용하여 이와 같은 은하들을 더 많이 발견할 수 있을 것으로 보입니다.
  그리고 무엇이 이 은하들을 이처럼 빠르게 성장하게 만들었는지를 알아낼 수 있게 되겠죠."
 

 

Credit:
ESO/Digitized Sky Survey 2

사진3> DSS2에 의해 촬영된 이 사진은 Abell 1689 주변 처녀자리의 하늘을 담고 있다.
           사진에는 또다른 수많은 은하들의 모습이 담겨 있다.

 

 

                                         Credit:
                                         ESA/Hubble (M. Kornmesser & L. L. Christensen)

 

 

 

각주

[1] 이 은하는 원래 허블이 촬영한 사진들에서 발견된 것으로서 그 거리가 상당히  멀리 떨어져 있을 것으로 추정되어 왔지만
      정확한 거리는 이번 관측때까지는 확정되지 않은 상태였다.

 

[2] 이는 적색편이 7.5에 대응된다.

 

[3] 이 복사선들은 우주의 팽창에 의해 지구에 도달했을 때는 밀리미터 파장에까지 확장되는데, 이 파장이 바로 ALMA의 관측대상 파장에 해당한다.

 

 

 

 출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 3월 2일자 
          http://www.eso.org/public/news/eso1508/


 

참고 : 원시은하 A1689-zD1의 발견은  2008년 2월 Astrophysical Journal에서 발표된 바 있습니다. 
         하기 링크는 이에 대한 허블 사이트의 2008년 2월 12일 뉴스입니다. 
          http://blog.daum.net/bigcrunch/10675121         


참고 : 각종 원시 은하를 비롯한 은하에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346978
       - 은하 충돌 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346977   

 

 

원문>

eso1508 — Science Release

An Old-looking Galaxy in a Young Universe

ALMA and VLT probe surprisingly dusty and evolved galaxy

2 March 2015

One of the most distant galaxies ever observed has provided astronomers with the first detection of dust in such a remote star-forming system and tantalising evidence for the rapid evolution of galaxies after the Big Bang. The new observations have used ALMA to pick up the faint glow from cold dust in the galaxy A1689-zD1 and used ESO’s Very Large Telescope to measure its distance.

A team of astronomers, led by Darach Watson from the University of Copenhagen, used the Very Large Telescope’s X-shooter instrument along with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to observe one of the youngest and most remote galaxies ever found. They were surprised to discover a far more evolved system than expected. It had a fraction of dust similar to a very mature galaxy, such as the Milky Way. Such dust is vital to life, because it helps form planets, complex molecules and normal stars.

The target of their observations is called A1689-zD1 [1]. It is observable only by virtue of its brightness being amplified more than nine times by a gravitational lens in the form of the spectacular galaxy cluster, Abell 1689, which lies between the young galaxy and the Earth. Without the gravitational boost, the glow from this very faint galaxy would have been too weak to detect.

We are seeing A1689-zD1 when the Universe was only about 700 million years old — five percent of its present age [2]. It is a relatively modest system — much less massive and luminous than many other objects that have been studied before at this stage in the early Universe and hence a more typical example of a galaxy at that time.

A1689-zD1 is being observed as it was during the period of reionisation, when the earliest stars brought with them a cosmic dawn, illuminating for the first time an immense and transparent Universe and ending the extended stagnation of the Dark Ages. Expected to look like a newly formed system, the galaxy surprised the observers with its rich chemical complexity and abundance of interstellar dust.

After confirming the galaxy’s distance using the VLT,” said Darach Watson, “we realised it had previously been observed with ALMA. We didn’t expect to find much, but I can tell you we were all quite excited when we realised that not only had ALMA observed it, but that there was a clear detection. one of the main goals of the ALMA Observatory was to find galaxies in the early Universe from their cold gas and dust emissions — and here we had it!

This galaxy was a cosmic infant — but it proved to be precocious. At this age it would be expected to display a lack of heavier chemical elements — anything heavier than hydrogen and helium, defined in astronomy as metals. These are produced in the bellies of stars and scattered far and wide once the stars explode or otherwise perish. This process needs to be repeated for many stellar generations to produce a significant abundance of the heavier elements such as carbon, oxygen and nitrogen.

Surprisingly, the galaxy A1689-zD1 seemed to be emitting a lot of radiation in the far infrared [3], indicating that it had already produced many of its stars and significant quantities of metals, and revealed that it not only contained dust, but had a dust-to-gas ratio that was similar to that of  much more mature galaxies.

Although the exact origin of galactic dust remains obscure,” explains Darach Watson, “our findings indicate that its production occurs very rapidly, within only 500 million years of the beginning of star formation in the Universe — a very short cosmological time frame, given that most stars live for billions of years.”

The findings suggest A1689-zD1 to have been consistently forming stars at a moderate rate since 560 million years after the Big Bang, or else to have passed through its period of extreme starburst very rapidly before entering a declining state of star formation.

Prior to this result, there had been concerns among astronomers that such distant galaxies would not be detectable in this way, but A1689-zD1 was detected using only brief observations with ALMA.

Kirsten Knudsen (Chalmers University of Technology, Sweden), co-author of the paper, added, “This amazingly dusty galaxy seems to have been in a rush to make its first generations of stars. In the future, ALMA will be able to help us to find more galaxies like this, and learn just what makes them so keen to grow up.”

Notes

[1] This galaxy was noticed earlier in the Hubble images, and suspected to be very distant, but the distance could not be confirmed at that time.

[2] This corresponds to a redshift of 7.5.

[3] This radiation is stretched by the expansion of the Universe into the millimetre wavelength range by the time it gets to Earth and hence can be detected with ALMA.

More information

This research was presented in a paper entitled “A dusty, normal galaxy in the epoch of reionization” by D. Watson et al., to appear online in the journal Nature on 2 March 2015.

The team is composed of D. Watson (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), L. Christensen (University of Copenhagen), K. K. Knudsen (Chalmers University of Technology, Sweden), J. Richard (CRAL, Observatoire de Lyon, Saint Genis Laval, France), A. Gallazzi (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Firenze, Italy) and M. J. Michalowski (SUPA, Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, UK).

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 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. 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 a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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Niels Bohr Institute
University of Copenhagen, Denmark
Tel: +45 2480 3825
Email: darach@dark-cosmology.dk

Kirsten K. Knudsen
Chalmers University of Technology
Onsala, Sweden
Tel: +46 31 772 5526
Cell: +46 709 750 956
Email: kirsten.knudsen@chalmers.se

Richard Hook
ESO education and Public Outreach Department
Garching bei München, Germany
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