안드로메다 은하를 둘러싸고 있는 거대한 헤일로

 

Science Credit: NASA, ESA, N. Lehner and J.C. Howk (University of Notre Dame), and B. Wakker (University of Wisconsin, Madison)

 

표1> 이 표는 과학자들이 어떻게 안드로메다 은하의 헤일로 크기를 결정지을 수 있었는지를 보여주고 있다.

이 헤일로 속의 가스는 매우 어둡기 때문에 연구팀은 매우 멀리 떨어져 있는, 블랙홀에 의해 에너지를 공급받는 활성은하의 밝은 핵인 퀘이사의 빛을 이용하여 이 헤일로를 측정하였다.

즉 과학자들은 이 가스층을 통과하여 오는 퀘이사의 빛을 관측한 것이다.

헤일로 속에 존재하는 가스는 빛의 특정 부분을 흡수하면서 매우 작은 파장 범위에서 퀘이사의 빛을 좀더 어둡게 만든다. 특정 파장에서 나타나는 이 미세한 밝기차이를 측정함으로써 과학자들은 우리와 퀘이사 사이에 얼마나 많은 가스가 존재하는지를 측정할 수 있게 되는 것이다.

그에 반해 또다른 퀘이사의 빛에서는 전혀 차이가 존재하지 않았다.
이로서 헤일로의 크기를 규명할 수 있게 된 것이다.

 

안드로메다 은하를 둘러싸고 있는 거대한 헤일로

 

   과학자들이 허블우주망원경을 이용하여 미리내로부터 가장 가까이에 위치하고 있는 거대 질량의 은하인 안드로메다 주위를 둘러싸고 있는 거대한 가스 헤일로가 이전에 측정된 것보다 6배나 더 크고, 질량은 1000배나 더 무겁다는 것을 알아냈다.

거의 눈에 보이지 않는 이 헤일로는 안드로메다 은하로부터 백만광년에 걸쳐 뻗어있는데 이는 미리내까지 거리의 반에 육박하는 거리이다.

 

이번 발견은 우주에 존재하는 은하들 중 가장 일반적인 유형중 하나인 거대 나선은하의 구조와 진화양상에 대해 더 많은 것이 밝혀질 수 있음을 말해주는 발견이기도 하다.         

이번 발견의 수석 과학자인 인디애나 노트르담 대학 니콜라스 레너(Nicolas Lehner)의 설명은 다음과 같다.
"헤일로는 은하의 가스상 대기라할 수 있습니다.
이 가스 헤일로의 속성은 은하 형성 모델에 따르면 은하에서 별의 생성 비율을 좌우하는 요소이죠."

이 거대한 헤일로의 질량은 안드로메다 은하 내에 있는 별들의 총질량의 반에 육박하며 고온의 흐릿한 가스들로 구성되어 있다.

이 헤일로는 맨눈으로도 볼 수 있으며 이 헤일로가 퍼져 있는 너비는 보름달 너비의 100배에 달한다.

그 너비는 손에 두 개의 농구공을 쥐고 팔을 쭉 벋었을 때 가려지는 하늘의 너비와 맡먹는 너비이다.

 

M31로도 알려져 있는 안드로메다 은하는 250만 광년 거리에 위치하며 그 모습은 희미한 물레가락같은 모양을 하고 있고 지름은 보름달 지름의 6배 정도로 보인다.

이 은하는 미리내의 지근 거리에 존재하는 쌍동이 은하로 간주된다.

 

안드로메다 은하의 헤일로를 구성하는 가스가 매우 어둡기 때문에 연구팀은 이 가스를 통과하여 오는 배경 천체의 빛이 어떤 변화 양상을 보이는지를 관측했다.

이는 밤에 풀장의 바닥에 비치는 빛을 바라보는 것과 유사하다.

 

이러한 현상을 관측하는데 있어 이상적인 배경의 빛을 만들어내는 것은 매우 멀리 떨어져 있는 활성은하의 핵에서 블랙홀에 의해 에너지를 공급받는 퀘이사이다.

연구팀은 안드로메다의 뒷편에 위치하고 있는 18개의 퀘이사를 탐사하여 눈에 보이는 이 은하의 원반 너머로 물질들이 어떻게 분포하고 있는지를 관측하였다.

연구팀의 발견은 2015년 5월 10일 아스트로피지컬에 개재되었다.

 

허블우주망원경의 우주기원분광측정-헤일로 프로그램(Cosmic Origins Spectrograph (COS)-Halos program)에서 수행된 이전의 연구에서는 44개의 멀리 떨어진 은하들을 연구하였으며 이들에서 안드로메다 은하와 같은 톄무리의 존재를 발견하였다.
그러나 지근 거리의 은하에서 이처럼 막대한 질량을 가진 헤일로를 발견한 적은 없었다.

이는 이전에 연구된 은하들이 훨씬 멀리 위치하고 있었기 때문에 하늘에 나타나는 이 은하들의 모습이 훨씬 작았기 때문이다.

그리고 각각의 은하들 뒷편에서는 오직 하나의 퀘이사만이 탐사될 수 있었기 때문에 각 은하가 가진 헤일로의 크기와 구조를 알아낼만한 단서는 하나에 지나지 않았다.

 

안드로메다 은하의 경우 지구로부터 가까운 거리에 위치한다는 점과 하늘에서 차지하고 있는 영역의 상당함으로 인해 상당한 수의 퀘이사들을 훨씬 많이 샘플로 선정할 수 있었다.

 

이번 발견의 공동 연구원인 인디애나 노트트담 대학의 J.크리스토퍼 호크(J. Christopher Howk)의 소감은 다음과 같다.
"퀘이사로부터 출발한 빛이 허블우주망원경을 향할 때, 이 헤일로에 있는 가스들은 이 빛의 일부를 흡수하게 되면서  퀘이사의 빛을 매우 작은 파장 영역에서 약간 어둡게 만들게 됩니다.
이러한 밝기의 감소 양상을 측정하여 우리는 퀘이사와 우리 사이에 M31의 헤일로상의 가스가 얼마나 많이 존재하는지를 알게 되는 것이죠."

 

과학자들은 퀘이사로부터 발생한 자외선을 연구하는데 허블우주망원경의 독보적인 관측능력을 활용하고 있다.

 

자외선은 지구 대기에 흡수되기 때문에 지상에 위치한 망원경으로는 이들을 관측하기가 매우 어렵다.

연구팀은 이번 연구를 위해 허블 데이터 아카이브에 축적되어 있는 5년치의 관측 데이터를 활용하였다.

허블우주망원경을 이용한 수많은 이전의 관측은 훨씬 멀리 떨어진 위치에 있는 가스를 관측하기 위해 퀘이사를 활용하였는데 이들은 대체로 안드로메다 은하 방향을 향하고 있었으며 따라서 귀중한 데이터들은 이미 존재하고 있었던 것이다.

 

그러나 이 거대한 헤일로는 어디로부터 온 것일까?

 

은하에 대한 거대 규모 시뮬레이션은 안드로메다 은하의 헤일로가 안드로메다를 구성하는 여타 부분과 동시대에 형성되었음을 암시하고 있다.

연구팀 역시 헤일로에는 수소나 헬륨보다 무거운 원소들이 풍부하게 존재하고 있음을 알아냈는데 이 무거운 원소들이 존재할 수 있는 유일한 방법은 초신성이라 불리는 별의 폭발 이외에는 존재하지 않는다.

안드로메다 은하의 별들이 가득한 원반에서 발생하는 초신성 폭발은 매우 파괴적인 폭풍을 만들어내면서 무거운 원소들을 머나먼 우주공간으로 불어내고 있다.

 

안드로메다 은하의 전생애 동안 안드로메다 은하를 구성하는 무거운 원소의 거의 반에 육박하는 양은 은하 원반 20만 광년 너머 지점에서 발생한 별들의 폭발에 의해 만들어졌다.

 

이것이 미리내에 시사하는 바는 무엇일까?

우리는 미리내의 내부에 살고 있기 때문에 과학자들은 이와 비슷한 질량과 폭을 갖는 헤일로가 우리 은하 주위에 존재하는지 여부를 알지는 못한다.

이는 나무들이 자신이 담겨 있는 숲을 볼 수 없는 것과 같다.

만약 미리내 역시 이와 유사한 거대 헤일로를 가지고 있다면 두 개 은하의 헤일로는 거의 맞닿아 있는 상태일 것이고 두 개은하의 충돌이 발생하기 전에 통합의 기나긴 과정이 시작된 것인지도 모른다.

허블우주망원경을 이용한 관측 결과는 대략 40억년이 지난 후 하나의 거대 타원은하로의 변화가 시작되는 미리내와 안드로메다 은하간의 충돌이 시작될 것임을 말해주고 있다.(참고 : 안드로메다 은하와의 충돌 )

 

 

출처 : 허블사이트 2015년 5월 7일 발표 뉴스

         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/15/

 

참고 : M31, 안드로메다 은하를 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 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>

News Release Number: STScI-2015-15

Hubble Finds Giant Halo Around the Andromeda Galaxy

Scientists using NASA's Hubble Space Telescope have discovered that the immense halo of gas enveloping the Andromeda galaxy, our nearest massive galactic neighbor, is about six times larger and 1,000 times more massive than previously measured. The dark, nearly invisible halo stretches about a million light-years from its host galaxy, halfway to our own Milky Way galaxy. This finding promises to tell astronomers more about the evolution and structure of majestic giant spirals, one of the most common types of galaxies in the universe.

"Halos are the gaseous atmospheres of galaxies. The properties of these gaseous halos control the rate at which stars form in galaxies according to models of galaxy formation," explained the lead investigator, Nicolas Lehner of the University of Notre Dame, Indiana. The gargantuan halo is estimated to contain half the mass of the stars in the Andromeda galaxy itself, in the form of a hot, diffuse gas. If it could be viewed with the naked eye, the halo would be 100 times the diameter of the full Moon in the sky. This is equivalent to the patch of sky covered by two basketballs held at arm's length.

The Andromeda galaxy, also known as M31, lies 2.5 million light-years away and looks like a faint spindle, about 6 times the diameter of the full Moon. It is considered a near-twin to the Milky Way galaxy.

Because the gas in Andromeda's halo is dark, the team looked at bright background objects through the gas and observed how the light changed. This is a bit like looking at a glowing light at the bottom of a pool at night. The ideal background "lights" for such a study are quasars, which are very distant bright cores of active galaxies powered by black holes. The team used 18 quasars residing far behind Andromeda to probe how material is distributed well beyond the visible disk of the galaxy. Their findings were published in the May 10, 2015, edition of The Astrophysical Journal.

Earlier research from Hubble's Cosmic Origins Spectrograph (COS)-Halos program studied 44 distant galaxies and found halos like Andromeda's, but never before has such a massive halo been seen in a neighboring galaxy. Because the previously studied galaxies were much farther away, they appeared much smaller on the sky. only one quasar could be detected behind each faraway galaxy, providing only one light anchor point to map their halo size and structure. With its close proximity to Earth and its correspondingly large footprint on the sky, Andromeda provides a far more extensive sampling of a lot of background quasars.

"As the light from the quasars travels toward Hubble, the halo's gas will absorb some of that light and make the quasar appear a little darker in just a very small wavelength range," explains co-investigator J. Christopher Howk, also of Notre Dame. "By measuring the dip in brightness in that range, we can tell how much halo gas from M31 there is between us and that quasar."

The scientists used Hubble's unique capability to study the ultraviolet light from the quasars. Ultraviolet light is absorbed by Earth's atmosphere, which makes it difficult to observe with a ground-based telescope. The team drew from about 5 years' worth of observations stored in the Hubble data archive to conduct this research. Many previous Hubble campaigns have used quasars to study gas much farther away than — but in the general direction of — Andromeda, so a treasure trove of data already existed.

But where did the giant halo come from? Large-scale simulations of galaxies suggest that the halo formed at the same time as the rest of Andromeda. The team also determined that it is enriched in elements much heavier than hydrogen and helium, and the only way to get these heavy elements is from exploding stars called supernovae. The supernovae erupt in Andromeda's star-filled disk and violently blow these heavier elements far out into space. Over Andromeda's lifetime, nearly half of all the heavy elements made by its stars have been expelled far beyond the galaxy's 200,000-light-year-diameter stellar disk.

What does this mean for our own galaxy? Because we live inside the Milky Way, scientists cannot determine whether or not such an equally massive and extended halo exists around our galaxy. It's a case of not being able to see the forest for the trees. If the Milky Way does possess a similarly huge halo, the two galaxies' halos may be nearly touching already and quiescently merging long before the two massive galaxies collide. Hubble observations indicate that the Andromeda and Milky Way galaxies will merge to form a giant elliptical galaxy beginning about 4 billion years from now.

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Ann Jenkins / Ray Villard
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410-338-4488 / 410-338-4514
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NASA Headquarters, Washington, D.C.
202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

Nicolas Lehner
University of Notre Dame, Notre Dame, Indiana
574-631-5755
nlehner@nd.edu