레프스달(Refsdal) : 하나의 초신성이 만들어낸 빛의 4중주

 

Credit: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

 

사진 1> 이 사진은 50억 광년거리의 거대한 은하단 MACS J1149+2223의 모습을 담고 있다.

이 은하단과 은하단 내에 있는 수많은 은하들 중 하나가 갖고 있는 거대한 질량이 멀리서 발생한 초신성의 빛을 굴절시키면서 서로 분리된 4개의 화상을 만들어냈다.

초신성의 빛이 중력렌즈 작용에 의해 구부러지고 확대되면서 타원은하 주변에 '아인슈타인의 십자가(the Einstein cross )'라고 알려져 있는 형태의 배열을 연출한 것이다.

'아인슈타인의 십자가'의 확대 사진이 네모상자에 담겨있다.

 

 

레프스달(Refsdal) : 하나의 초신성이 만들어낸 빛의 4중주

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 멀리 떨어진 별의 폭발이 만들어낸 4개의 화상을 사상 처음으로 잡아냈다.

이 사진은 거대한 질량의 은하단과 그 안에 포함되어 있는 은하의 강력한 중력에 의해 원래 하나의 빛이 마치 십자가 형태로 배열된 모습을 보여주고 있다.

이 초신성의 발견에 대한 논문은 알버트 아인슈타인의 일반상대성 이론 발표 100주년을 기념하여 발행된 2015년 3월 6일 사이언스 특별판에 개재되었다.

50억 광년 이상 떨어져 있는 무거운 질량을 가진 타원은하와 이 은하와 연계된 은하단 MACS J1149+2223을 주도면밀하게 탐사하는 동안 천문학자들이 독특하고 희귀한 광경을 찾아냈다.

은하와 은하단의 거대 질량이 훨씬 멀리 뒤쪽에 위치한 초신성의 빛을 구부리면서 4 개의 분리된 모습을 연출한 장면을 찾아낸 것이다.

이 빛은 중력렌즈 작용[1]에 의해 구부러지고 확대되었으며 그 결과 타원은하 주변에 '아인슈타인의 십자가'라고 알려져 있는 형태의 배열을 연출했다.

 

비록 천문학자들이 그동안 다중으로 겹친 모습을 보이는 은하나 퀘이사들을 십여개 정도 발견해냈지만 폭발하는 별이 다중으로 보이는 모습을 발견한 것은 이번이 처음이다.

 

'확대된 그리즘 렌즈 관측(the Grism Lens Amplified Survey from Space, 이하 GLASS)'-그리즘(Grism)은 회절격자(grating)와 프리즘(prism)을 합성한 단어임 - 협동 연구의 일원이자 초신성 발견 논문의 주저자인 패트릭 켈리( Patrick Kelly)는 은하를 둘러싼 이상하기 그지없는 4개의 이미지를 보고 충격에 빠지지 않을 수 없었다고 말했다.
 

그가 이 초신성을 발견한 것은 GLASS 팀의 데이터에 대한 일상적인 검토 와중이었으며 이 초신성은 2013년 이래 GLASS 팀과 프론티어 필드 초신성 탐색 팀이 찾아오던 바로 그것이었다.[2]

 

 

Credit:NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

 

사진2> 동일 초신성으로부터 발생한 빛이 전면에 위치한 거대한 은하단 MACS J1149+2223 에 의해 굴절되고 확대되면서 각각 분리된 4개의 영상을 만들어낸 장면

 

현재 GLASS팀과 프론티어 필드 팀은 우리에게 도착하기까지 90억년을 날아온 이 초신성의 빛을 함께 분석하고 있다[3]. 

 

이번 논문의 공동저자인 덴마크 암흑우주론 센터 옌스 효르드(Jens Hjorth)의 설명은 다음과 같다.
"이 초신성은 원래 밝기보다도 20배 정도 밝은 모습을 보여주고 있습니다.
 이는 두 개의 렌즈 효과가 동시에 작용하기 때문입니다.
 우선 거대한 질량을 가진 은하단이 이 초신성에 대해 최소 3개의 독립적인 경로로 초점을 형성시켰죠.
 그리고 이 3개의 독립적인 경로 중 하나가 은하단 내부의 타원은하와 정확하게 정렬되면서 두 번째 중력렌즈 효과를 만들어냈습니다."
 
타원은하와 연계된 암흑물질이 초신성의 빛을 구부리고 재 초점화하면서 4개의 빛의 경로를 만들어냈고, 이로서 연구팀이 발견한 희귀한 아인슈타인의 십자가 형상을 만들어낸 것이다.

 

 

Credit: NASA & ESA

동영상> 동일한 초신성으로부터 발생한 빛이 거대한 은하단 MACS J1149+2223을 지나면서 어떻게 굴절되고 확대되어 이처럼 4개의 분리된 모습을 만들어낼 수 있었는지를 묘사하고 있다.

 

이번 발견은 천문학자들로 하여금 중력렌즈 효과를 창출해내는 은하나 은하단에서 암흑물질의 양과 분포를 측정해내는 방법을 더더욱 정밀하게 다듬을 수 있도록 도움을 줄 것이다. 

 

우주에는 눈에 보이는 물질보다 훨씬 더 많은 암흑물질이 있다.
그러나 이들은 탐지하기가 극도로 어려우며 오직 눈에 보이는 우주에 끼치는 중력효과에 의해서만 그 존재를 알 수 있다.
따라서 은하나 은하단의 중력렌즈 효과는 그 안에 포함되어 있을 암흑물질의 양을 측정해내는데 있어 중요한 단서가 된다.

 

폭발이 잦아들어 4개로 갈라진 초신성의 모습이 사그라들때즘 천문학자들은 폭발의 재발생을 다시 포착하는 희귀한 기회를 잡게 될 것이다.

이 초신성의 모습은 지구에 동시에 도달하지 않는다. 왜냐하면 각각의 모습을 만들어낸 빛이 서로 다른 경로를 경유하기 때문이다.

그리고 각각의 경로는 암흑물질이나 눈에 보이는 물질들 모두에서 서로 다른 물질 층위를 통과하게 된다.

이러한 조건은 경로상에서 빛의 굴절을 야기시키고 따라서 임의의 경로를 거친 임의의 빛은 다른 경로를 거친 빛보다 더 늘어난 거리를 통과하게 되는 것이다.

 

천문학자들은 이 은하단에 얼마나 많은 암흑물질들이 분포하는지에 대해 그리고 언제, 어디에서 다음 장면이 나타나게 될지를 예견하는데
자신들의 모델을 사용할 수 있을 뿐아니라 좀더 정확한 암흑물질의 질량 모델을 수립하기 위해 여기서 관측된 시간지연 효과를 이용할 수 있다[4].

 

프론티어필트 초신성 팀의 리더인 존스홉킨스대학 스티브 로드니(Steve Rodney)의 설명은 다음과 같다.
"허블 우주망원경이 촬영한 이 네 개의 초신성 사진은  며칠 또는 몇주 상관에 그 모습을 드러냈고, 우리는 이들이 모두 모습을 드러내고 나서야 그 모습을 발견했죠.
그러나 우리는 이 초신성의 모습이 은하단 어딘가에서 하나의 모습으로 대략 20년 전에 이미 그 모습을 드러냈을 것으로 생각하고 있습니다. 
좀더 흥미로운 추측을 해본다면 향후 1년에서 5년 사이에 하나의 영상이 더 나타날 수도 있을 것이라고 기대하고 있습니다. 
바로 그러한 일이 발생한다면 우리는 반드시 그 모습을 잡아내야만 하죠."
 

이 초신성의 애칭은  레프스달(Refsdal)로 정해졌는데, 이는 1964년 우주의 팽창을 연구하는데 있어 처음으로 중력렌즈 초신성으로부터 발생하는 시간지연 영상의 이용을 제안한 노르웨이 천문학자 슈 레프스달(Sjur Refsdal)을 기리는 의미에서였다.  

 

GLASS 프로젝트의 수석 연구원인 캘리포니아 대학의 토마소 트로이(Tommaso Treu)의 소감은 다음과 같다.
"천문학자들은 슈 레프스달 이후 그 하나의 천체를 찾기 위한 노력을 계속해왔죠.  그리고 지금 그 오랜 기다림이 끝났습니다."

 

 

각주

[1] 중력렌즈 현상을 처음으로 예견한 사람은 알버트 아인슈타인이다.

이 효과는 안경렌즈가 렌즈 너머에 있는 영상을 확대시키고 굴절시키는 것과 동일한 효과이다.

 

[2] 프론티어 필드 프로그램은 허블 우주망원경을 이용하여 6개의 거대한 질량을 가진 은하단을 탐사하여 은하단 내부 뿐 아니라 그 너머를 중력렌즈를 통해 탐사하는 것을 목표로 하는 3년 계획의 프로그램이다. 
GLASS 탐사는 프론티어 필드에 포함되어 있는 6개의 은하단을 포함하여 총 10개의 무거운 은하단을 중력렌즈로서 활용하여 멀리 떨어진 은하를 탐사하는 프로그램이다.
  

[3] 연구팀은 이 초신성의 거리를 대신 알려줄 수 있는 초신성이 발생한 은하의 적색편이를 측정하기 위해 마우나 케아의 W.M.켁 천문대를 이용하였다.

 

[4] 각 사진들간의 시간 지연효과에 대한 측정치는 초신성의 빛이 통과해야 했을 휘어진 우주의 형태에 대한 단서를 제공해주며 따라서 천문학자들이 은하단의 질량 분포도에 대한 모델을 좀더 세밀하게 조율하는데 도움을 줄 것이다. 

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 3월 5일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1505/

 

참고 : 암흑물질과 중력렌즈에 관한 각종 우주론에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979 

참고 : 은하단 및 은하에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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>

An explosive quartet

Hubble sees multiple images of a supernova for the very first time

5 March 2015

Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have, for the first time, spotted four images of a distant exploding star. The images are arranged in a cross-shaped pattern by the powerful gravity of a foreground galaxy embedded in a massive cluster of galaxies. The supernova discovery paper will appear on 6 March 2015 in a special issue of Science celebrating the centenary of Albert Einstein’s theory of general relativity.

Whilst looking closely at a massive elliptical galaxy and its associated galaxy cluster MACS J1149+2223 — whose light took over 5 billion years to reach us — astronomers have spotted a strange and rare sight. The huge mass of the galaxy and the cluster is bending the light from a much more distant supernova behind them and creating four separate images of it. The light has been magnified and distorted due to gravitational lensing [1] and as a result the images are arranged around the elliptical galaxy in a formation known as an Einstein cross.

Although astronomers have discovered dozens of multiply imaged galaxies and quasars, they have never before seen multiple images of a stellar explosion.

“It really threw me for a loop when I spotted the four images surrounding the galaxy — it was a complete surprise,” said Patrick Kelly of the University of California Berkeley, USA, a member of the Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) collaboration and lead author on the supernova discovery paper. He discovered the supernova during a routine search of the GLASS team’s data, finding what the GLASS group and the Frontier Fields Supernova team have been searching for since 2013 [2]. The teams are now working together to analyse the images of the supernova, whose light took over 9 billion years to reach us [3].

“The supernova appears about 20 times brighter than its natural brightness,” explains the paper’s co-author Jens Hjorth from the Dark Cosmology Centre, Denmark. “This is due to the combined effects of two overlapping lenses. The massive galaxy cluster focuses the supernova light along at least three separate paths, and then when one of those light paths happens to be precisely aligned with a single elliptical galaxy within the cluster, a secondary lensing effect occurs.” The dark matter associated with the elliptical galaxy bends and refocuses the light into four more paths, generating the rare Einstein cross pattern the team observed.

This unique observation will help astronomers refine their estimates of the amount and distribution of dark matter in the lensing galaxy and cluster. There is more dark matter in the Universe than visible matter, but it is extremely elusive and is only known to exist via its gravitational effects on the visible Universe, so the lensing effects of a galaxy or galaxy cluster are a big clue to the amount of dark matter it contains.

When the four supernova images fade away as the explosion dies down, astronomers will have a rare chance to catch a rerun of the explosion. The supernova images do not arrive at the Earth at the same time because, for each image produced, the light takes a different route. Each route has a different layout of matter — both dark and visible — along its path. this causes bends in the road, and so for some routes the light takes longer to reach us than for others. Astronomers can use their model of how much dark matter is in the cluster, and where it is, to predict when the next image will appear as well as using the time delays they observe to make the mass models even more accurate [4].

“The four supernova images captured by Hubble appeared within a few days or weeks of each other and we found them after they had appeared,” explains Steve Rodney of Johns Hopkins University, USA, leader of the Frontier Fields Supernova team. “But we think the supernova may have appeared in a single image some 20 years ago elsewhere in the cluster field, and, even more excitingly, it is expected to reappear once more in the next one to five years — and at that time we hope to catch it in action.”

The supernova has been nicknamed Refsdal in honor of Norwegian astronomer Sjur Refsdal, who, in 1964, first proposed using time-delayed images from a lensed supernova to study the expansion of the Universe. “Astronomers have been looking to find one ever since,” said Tommaso Treu of the University of California Los Angeles, USA, the GLASS project’s principal investigator. “And now the long wait is over!”

Notes

[1] Gravitational lensing was first predicted by Albert Einstein. This effect is similar to a glass lens bending light to magnify and distort the image of an object behind it.

[2] The Frontier Fields is a three-year programme that uses Hubble to observe six massive galaxy clusters to probe not only what is inside the clusters but also what is beyond them through gravitational lensing. The GLASS survey uses Hubble’s capabilities to study remote galaxies using ten massive galaxy clusters as gravitational lenses, including the six in the Frontier Fields.

[3] The team used the W. M. Keck Observatory on Mauna Kea, in Hawaii, to measure the redshift of the supernova’s host galaxy, which is a proxy to its distance.

[4] Measuring the time delays between images offers clues to the type of warped-space terrain the supernova’s light had to cover and will help the astronomers fine tune the models that map out the cluster’s mass.

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 P. Kelly (University of California, Berkeley, USA); S. Rodney (The Johns Hopkins University, USA); T. Treu (University of California, Los Angeles, USA); R. Foley (University of Illinois at Urbana-Champaign, USA); G. Brammer (Space Telescope Science Institute, USA); K. Schmidt (University of California, Santa Barbara, USA); A. Zitrin (California Institute of Technology, USA); A. Sonnenfeld (University of California, Los Angeles, USA); L. Strolger (Space Telescope Science Institute, USA & Western Kentucky University, USA); O. Graur (New York University, USA), A. Filippenko (University of California, Berkeley, USA), S. Jha (Rutgers, USA); A. Riess (The Johns Hopkins University, USA & Space Telescope Science Institute, USA); M. Bradac (University of California, Davis, USA), B. Weiner (Steward Observatory, USA); D. Scolnic (The Johns Hopkins University, USA); M. Malkan (University of California, Los Angeles, USA); A. von der Linden (Dark Cosmology Centre, Denmark); M. Trenti (University of Melbourne, Australia); J. Hjorth (Dark Cosmology Centre, Denmark); R. Gavazzi (Institut d’Astrophysique de Paris, France); A. Fontana (INAF-OAR, Italy); J. Merten (California Institute of Technology, USA); C. McCully (University of California, Santa Barbara,, USA); T. Jones (University of California, Santa Barbara,, USA); M. Postman (Space Telescope Science Institute, USA); A. Dressler (Carnegie Observatories, USA), B. Patel (Rutgers, USA), S. Cenko (NASA/Goddard Space Flight Center, USA); M. Graham (University of California, Berkeley, USA); and Bradley E. Tucker (University of California, Berkeley, USA).

More information

Image credit: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

Links

• Images of Hubble
• The Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) collaboration 
• Frontier Fields 
• NASA release
• Link to science paper

Contacts

Patrick Kelly
University of California
Berkeley, USA
Tel: + 1 510 859 8370
Email: pkelly@astro.berkeley.edu

Jens Hjorth
Dark Cosmology Centre
Copenhagen, Denmark
Email: jens@dark-cosmology.dk

Steve Rodney
Johns Hopkins University
Baltimore, USA
Email: rodney@jhu.edu

Tommaso Treu
University of California
Los Angeles, USA
Email: tt@astro.ucla.edu

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