SDP.81 : ALMA 장기선 캠페인으로 바라본 120억 광년 너머의 은하

 

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

 

사진 1> 이 사진은 ALMA가 촬영한 중력렌즈 은하 SDP.81이다.

밝은 오렌지 빛의 고리는 ALMA의 고해상도 관측을 통해 멀리 떨어진 은하의 먼지들이 타오르면서 뿜어내는 빛임이 밝혀졌다.

이 고리를 둘러싼 부분은 일산화탄소로부터 복사되는 밀리미터 파장의 빛을 이보다는 낮은 해상도로 잡아낸 것이다.

 

Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

 

사진 2> ALMA의 최고 해상도 사진이 SDP.81은하 내부에서 불타오르는 먼지의 모습을 포착해냈다.

고리모양은 중력렌즈 효과에 의해 멀리 떨어진 은하의 모습이 휘어지면서 연출된 것이다.

 

ALMA가 바라본 SDP.81의 아름다운 아인슈타인의 고리

 

천문학자들이 중력렌즈의 도움을 받아 우주의 반지처럼 보이는 머나먼 은하를 발견해냈다.
고해상도 사진을 촬영한 ALMA에게 감사를!

 

두 개의 머나먼 은하들의 우연한 배열에 의해 연출된 이 멋진 고리 모양의 구조는 아인슈타인이 일반 상대성이론에서 예견한 희귀하고 특별한 중력렌즈 현상이 그 모습을 드러내는 순간이다.
중력렌즈 현상이란 무거은 은하나 은하단이 훨씬 멀리 떨어진 은하의 빛을 휘게 만들면서 이를 확대시킴과 동시에 뒤틀어버리는 현상을 말한다.

 

이 특별한 중력렌즈 현상에 의해 모습을 드러낸 은하는 SDP.81 로 알려져 있는 은하로서 다른 은하가 그 앞쪽으로 거의 완벽한 일직선상에 도열하면서 지구에서 바라봤을 때 거의 완벽한 원형의 모습을 드러냈다.

 

허셜우주망원경에 의해 발견된 SDP.81 은하는 우주의 나이가 현재 대비 고작 15퍼센트밖에 되지 않는 120억년 거리에서 발견되는 폭발적으로 별들을 생성해내는 은하이다.
이 은하가 상대적으로 가까운 40억광년 거리의 무거운 은하에 의해 확대되어 나타났다.

 

Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton NRAO/AUI/NSF; NASA/ESA Hubble, T. Hunter (NRAO)

 

사진 3> 이 사진은 ALMA와 허블우주망원경의 데이터를 조합하여 만든 중력렌즈 은하 SDP.81의 모습이다.

사진 전반에 희미하게 푸른 빛을 뿜어내는 것은 이 중력렌즈 현상을 일으킨 앞쪽의 은하를 허블 우주망원경으로 바라본 것이다.

 

ALMA 프로그램 부책임 과학자인 카트린 블라키스(Catherine Vlahakis)의 설명은 다음과 같다.
"중력렌즈현상은 천문학자들이 대단히 멀리 떨어진 초기 우주의 천체를 연구하는데 사용되는 현상입니다.
이 현상은 엄청난 확대력으로 최고의 망원경을 우리에게 선사해 주는 셈입니다.
ALMA가 선보이는 이 놀라운 수준의 세밀한 관측자료와 함께 천문학자들은 마치 고리처럼 보이는 이 왜곡된 사진에 포함된 정보들을 재조합할 수 있을 것이며 이를 통해 이 은하의 진짜 모습이 무엇인지를 재구축할 수 있게 될 것입니다."
 
SDP.81 을 촬영한 새로운 사진은 최대 15킬로미터까지 떨어져 있는 안테나의 배열이 완료된 ALMA의 장기선 캠페인 동안 이 망원경의 고해상도 분해능을 시험하기 위해 2014년 10월에 촬영된 사진들이다.
SDP.81의 고해상도 사진은 이 은하의 우주먼지가 복사해내는 상대적으로 밝은 빛을 관측하여 촬영되었다.

 

이 인상적인 사진은 잘 정립된 아치 모양을 보여주고 있는데 이는 보다 완벽하고 거의 끊임없는 고리 모양이 연출되고 있음을 알려주는 단서이다.

 

일산화탄소와 물의 희미한 분자신호를 관측하기 위해 수행된 약간은 더 낮은 해상도로 촬영된 다른 사진들은 전체 형태를 구성하는데, 그리고 이 은하의 중요한 세부 모습을 규명하는데 도움을 주고 있다.

 

SDP.81의 빛과 중간 은하의 중력이 만들어내는 이 흥미로운 현상은 서브밀리미터 배열 및 플레트 드뷰로 간섭계(the Plateau de Bure Interferometer)를 이용한 라디오파 관측과 허블우주망원경을 이용한 가시광선 관측 등  다른 여러 망원경들에 의해 수행된 바 있지만 완벽한 고리 모양의 인상적인 세부를 잡아낸 것은 ALMA가 처음이다.
 
NRAO의 천문학자인 재클린 허즈(Jacqueline Hodge)의 설명은 다음과 같다.
"ALMA의 사진에 포함된 정교한 정보의 양은 초기 우주의 은하를 이해하는데 정말 중요한 것들입니다.
천문학자들은 중력렌즈로 포착된 은하의 원래 형태를 복원하기 위해 복잡한 컴퓨터 프로그램을 이용합니다.
중력렌즈에 의해 구부러진 빛의 수수께끼를 풀게 됨으로써 이 멀리 떨어진 은하의 진정한 형태와 내부의 운동양상을 훨씬더 명확하게 이해할 수 있게 될 것입니다."
 
이번 관측에서 ALMA가 도달한 최고 해상도는 23밀리각초라는 놀라운 수치로서 이는 에펠탑 위에 있는 농구골대를 엠파이어 스테이트 빌딩에서 구분해 낼 수  있을만한 수치이다.  
 

ALMA 국장인 피에르 콕스(Pierre Cox)의 소감은 다음과 같다.
"ALMA의 고해상도와 높은 감도의 조합을 통해서 풀어낸 이 천체들은 ALMA가 아니었다면 여전히 숨겨져 있었을 초기 우주의 천체들입니다.
이번 결과는 천문학에 있어 새로운 개척지를 여는 것이며 ALMA가 진정 변형과학(transformational science)*의 약속을 실현할 수 있다는 점을 입증하는 것입니다."

 

SDP.81은 ALMA의 장기선 캠페인이 진행되는동안 관측 대상으로 선정된 5개의 실험 대상 천체중 하나이다.
테스트 대상 천체는 이외에도 원시행성 원반인 황소자리 HL과, 소행성 주노, 미라라는 이름의 별과 3C138이라는 퀘이사가 포함되어 있다.

 
이미 대중적으로 공개된 관측 데이터와 ALMA 장기선 캠페인의 전반적인 성과를 기술하는 논문이 아스트로피지컬 저널에 개재될 것이다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 4월 7일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/alma-ring-lens

 

 

참고  : 변형과학(transformational science)  
아직 우리말로는 개념화되지 않은 용어인듯 보이는 transformational science 를 일단 '변형과학'으로 번역합니다.
변형과학이란 단순히 천문학이나 우주론의 영역에만 국한되지 않고 그 영역을 물리학, 철학, 종교등에까지 확장하는 과학의 역동성을 개념화한 용어입니다.  

따라서 변형과학에서 말하는 과학은 단순히 기술적 영역뿐 아니라 그 이상을 포함합니다.
현대의 전파 천문학은 여러 방법으로 우주에 대한 우리의 이해에 혁신을 가져오고 있습니다.
블랙홀이라 불리는 천체에 대한 통찰, 암흑물질과 암흑에너지의 속성에 대한 연구, 중력과 전 우주적으로 뻗어있는 자기력 등에 대한 지식의 확장은 물리학 자체 뿐 아니라 다른 영역에까지 그 범위를 확장하고 있습니다. 
단적인 예가 외계생명체에 대한 것입니다.

"다른 곳에도 생명체가 존재하는가?"라는 질문에는 반드시 답이 찾아지게 될 것이며, 그결과 과학은 철학이나 종교에도 막대한 영향을 미치게 될 것입니다. 
이처럼 다양한 영역에 영향을 미치는 학문으로서의 과학을 'transformational science'라고 개념화합니다.
참고한 사이트 : https://www.skatelescope.org/newsandmedia/outreachandeducation/skawow/transformational-science/

 

참고 : SDP.81을 비롯한 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 

참고 : ALMA 장기선 캠페인의 관측 대상 천체에 대한  내용은 하기 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
         황소자리 HL 별 주위의 원시행성 원반 : https://big-crunch.tistory.com/12347505
         소행성 주노 : https://big-crunch.tistory.com/12347866

 

 

원문>

For release: 9 a.m. E.D.T. Tuesday, April 7, 2015

ALMA Sees Einstein Ring in Stunning Image of Lensed Galaxy

Astronomers have discovered that a distant galaxy -- seen from Earth with the aid of a gravitational lens -- appears like a cosmic ring, thanks to the highest resolution images ever taken with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).  

Forged by the chance alignment of two distant galaxies, this striking ring-like structure is a rare and peculiar manifestation of gravitational lensing as predicted by Albert Einstein in his theory of general relativity.

Gravitational lensing occurs when a massive galaxy or cluster of galaxies bends the light emitted from a more distant galaxy, forming a highly magnified, though much distorted image. In this particular case, the galaxy known as SDP.81 and an intervening galaxy line up so perfectly that the light from the more distant one forms a nearly complete circle as seen from Earth.

Discovered by the Herschel Space Observatory, SDP.81 is an active star-forming galaxy nearly 12 billion light-years away, seen at a time when the Universe was only 15 percent of its current age. It is being lensed by a massive foreground galaxy that is a comparatively nearby 4 billion light-years away.

"Gravitational lensing is used in astronomy to study the very distant, very early Universe because it gives even our best telescopes an impressive boost in power," said ALMA Deputy Program Scientist Catherine Vlahakis. "With the astounding level of detail in these new ALMA images, astronomers will now be able to reassemble the information contained in the distorted image we see as a ring and produce a reconstruction of the true image of the distant galaxy."

The new SDP.81 images were taken in October 2014 as part of ALMA’s Long Baseline Campaign, an essential program to test and verify the telescope’s highest resolving power, achieved when the antennas are at their greatest separation: up to 15 kilometers apart.

The highest resolution image of SDP.81 was made by observing the relatively bright light emitted by cosmic dust in the distant galaxy. This striking image reveals well-defined arcs in a pattern that hints at a more complete, nearly contiguous ring structure. Other slightly lower-resolution images, made by observing the faint molecular signatures of carbon monoxide and water, help complete the picture and provide important details about this distant galaxy.

Though this intriguing interplay of gravity and light in SDP.81 has been studied previously by other observatories, including radio observations with the Submillimeter Array and the Plateau de Bure Interferometer, and visible light observations with the Hubble Space Telescope, none has captured the remarkable details of the ring structure revealed by ALMA.

"The exquisite amount of information contained in the ALMA images is incredibly important for our understanding of galaxies in the early Universe," said astronomer Jacqueline Hodge with the National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Va. "Astronomers use sophisticated computer programs to reconstruct lensed galaxies' true appearance. This unraveling of the bending of light done by the gravitational lens will allow us to study the actual shape and internal motion of this distant galaxy much more clearly than has been possible until now."

For these observations, ALMA achieved an astounding maximum resolution of 23 milliarcseconds, which is about the same as seeing the rim of a basketball hoop atop the Eiffel Tower from the observing deck of the Empire State Building.

"It takes a combination of ALMA’s high resolution and high sensitivity to unlock these otherwise hidden details of the early Universe," said ALMA Director Pierre Cox. "These results open a new frontier in astronomy and prove that ALMA can indeed deliver on its promise of transformational science."

SDP.81 is one of five targets selected for study during the ALMA Long Baseline Campaign. The others include the protoplanetary disk HL Tau, the asteroid Juno, the star Mira, and the quasar 3C138. Papers describing these publicly available data and the overall outcome of the ALMA Long Baseline Campaign are to be published in the Astrophysical Journal, Letters.

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The paper, "ALMA Long Baseline Observations of the Strongly Lensed Submillimeter Galaxy HATLAS J090311.6+003906 at z=3.042," is located here: http://arxiv.org/abs/1503.02652

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