ALMA가 원시 거대 별무리를 발견하다.

 

Credit: NASA/ESA Hubble, B. Whitmore (STScI); K. Johnson, U.Va.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

사진 1> 허블우주망원경이 가시광선으로 촬영한 더듬이 은하(최상단 사진)가 ALMA에 의해 연구되면서 방대하게 펼쳐져 있는 분자 가스가 발견되었다.(중간 사진)

그 중 한 구름(하단 사진)은 놀라울 정도로 고밀도에 많은 질량을 가지고 있음에도 아직 별들이 전혀 생성되지 않은 모습을 보여주고 있는데 이는 발달 초기 단계에 있는 구상성단의 예로서는 처음으로 식별된 천체일 것으로 보인다.

 

 

ALMA를 이용하여 원시 거대 별무리를 발견하다 - 막 부화를 앞둔 우주의 '공룡알' 
 

구상성단 - 최대 백만여 개의 오랜 별들이 모여 있는 찬란한 별무리 - 는 우주에서 가장 오래된 천체 중 하나이다.

비록 구상성단은 은하 내부나 주위에 많이 존재하지만 새로 태어난 구상성단의 예는 대단히 희귀하며 새로운 구상성단이 만들어지는데 필요한 조건은 지금까지 한번도 관측된 바 없다.

 

천문학자들이 ALMA를 이용하여 이제 막 탄생한 것으로 보이는 구상성단 -  놀라울 정도로 무거운 질량을 가지고 있으며, 극단적인 고밀도 상태를 보이고, 아직 별들이 전혀 존재하지 않는 분자가스 구름 - 의 첫번째 사례를 발견한 것으로 보인다.

 

버지니아 대학의 천문학자이자 아스트로피지컬 저널에 개재될 논문의 수석저자인 캘시 존슨(Kelsey Johnson)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 아마도 우주에서 가장 오래되고 극단적인 별생성 상태에 있는 천체 중 하나를 발견한 것인지도 모릅니다.
이 인상적인 천체는 매우 오래 전의 우주로부터 대담하게 튀어나온 것처럼 보입니다.
아직 별들의 생성이 시작되기 전의 구상성단이 갖출 수 있는 모든 특징들을 알아내는 것은 이제 막 부화를 시작한 공룡알을 찾는 것과 같은 일이죠."
 
천문학자들이 장난삼아 "폭음탄(Firecracker)"으로 부르고 있는 이 천체는 5천만 광년 떨어져 있으며 더듬이 은하라고도 알려져 있는, 그 유명한 중력상호작용이 진행중인 한 쌍의 은하인 NGC 4038과 NGC 4039의 내부에서 발견되었다.

 

두 개 은하간의 충돌 진행과정에서 발생하는 중력작용이 막대한 규모의 별 생성을 촉발시키고 있는데 이중 상당수가 고밀도 별무리 내부에서 발생하고 있다.
그러나 이 폭음탄을 특별하게 만들어주는 조건들은 상대적으로 작은 크기에 비해 비정상적으로 많은 질량이 몰려있고, 명백하게 별이 결핍되어 있는 상태라는 점이다.

 

천문학자들이 지금까지 관측해온 모든 구상성단 및 그와 유사한 천체들은 이미 별들로 가득차 있는 상태이다.

따라서 별들로부터 쏟아져나오는 열과 복사는 주위 환경을 현저하게 변화시켰으며 애초 시작 상태에 좀더 낮은 온도에, 좀더 조용했을 환경을 모두 없애버렸다.

 

천문학자들은 ALMA를 이용하여 별들이 그 독특한 성격을 영원히 변화시켜 버리기 이전 상태일 것으로 보이는 천체를 발견할 수 있었고 이 천체의 본연의 모습을 세부적으로 연구할 수 있게 된 것이다.

이 천체는 상당수 또는 모든 구상성단의 생성을 이끌지 모를 조건을 천문학자들이 처음으로 들여다볼 수 있게 해 주었다.

존슨의 설명은 다음과 같다.
"지금까지 구상성단의 원시모습일 가능성이 있는 구름들은 별의 생성이 이미 시작되고 어느 정도 성숙의 단계에 접어들었을 때 발견됐죠.
이것은 별의 육아실이 이미 치워지고 없어져 버렸다는 것을 의미합니다. 
구상성단이 어떻게 형성되는지를 이해하기 위해 우리는 진짜 시작단계를 볼 필요가 있답니다."

 

대부분의 구상성단은 120억년 전 은하가 처음으로 형성되던 당시 진정한 "베이비 붐"의 시기에 형성되었다.

 

각각의 구상성단들은 백만여 개에 달하는 2세대 별들로 빽빽하게 들어차있다.
이 별들에서 무거운 금속성분은 현저하게 낮은 양상을 보이는데 이는 이 별들이 우주역사에서 매우 이른 시기에 형성되었다는 점을 의미한다.

 

미리내의 경우 최소한 150개 또는 그 이상의 구상성단을 거느리고 있는 것으로 알려져 있다.

 

전 우주를 통틀어 다양한 크기의 별무리들은 오늘날까지도 여전히 생성되고 있다.
비록 그 규모가 커져갈수록 드물어지기는 하지만 이 별무리들 중 가장 규모가 크고 가장 밀도가 높은 별무리들이 구상성단으로 진화해갈 가능성은 존재한다.

 

존슨의 설명은 다음과 같다.
"거대한 질량을 가진 어린 별무리가 온전한 모습을 유지하면서 여전히 살아있을 확률은 매우 낮습니다. 고작해야 1퍼센트 정도죠.
안팎에서 다양한 힘들이 이 천체들을 서로 뿔뿔히 찢어놓게 되고, 그 결과 플레이아데스처럼 산개성단이 되어 버리거나 은하 헤일로의 일부로서 완전히 해체되어 버리기도 합니다."

 

그러나 천문학자들은 이번에 ALMA를 이용하여 관측한 천체의 경우 태양 질량의 5천만 배에 달하는 질량을 분자 가스 구름 속에 품고 있어서 어렵게 살아남은 행운의 천체 중 하나가 될 수 있는 충분한 고밀도의 천체로 생각하고 있다.   

 

구상성단은 아직 별들이 존재하지 않는 발달 초기 단계에서 매우 빠르게 진화하며 이는 채 일백만년이 걸리지 않는다.

이는 ALMA가 이 천체의 전 생애에서 매우 특별한 시기를 포착했음을 의미하며 초기 우주에 주요 구성요소였던 이 천체에 대한 독보적인 연구 기회를 제공하는 것이라 할 수 있다.

 

ALMA의 데이터는 또한 이 폭음탄 구름이 엄청난 압력하에 있음을 밝혀주었는데 그 압력은 일반적인 별사이 공간에서 발생하는 압력보다 1만 배나 높은 수치였다.
이는 구상성단이 형성되기 위해서는 매우 높은 압력이 필요하다는 이전의 이론을 지지하는 결과이다.

 

Credit: K. Johnson, U.Va.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

 

사진 2> 더듬이 은하의 고밀도 분자가스 핵을 촬영한 ALMA의 사진.
중앙 부근에 있는 노란색의 둥근 천체가 처음으로 식별된 구상성단의 원시천체일지도 모른다.
이 천체는 거대한 분자구름에 휩싸여있다.

 

존슨과 그녀의 동료들은 더듬이 은하를 탐사하면서 일산화탄소 분자로부터 발생하는 희미한 복사를 관측하였다.
이는 연구팀으로 하여금 각각의 먼지와 가스 구름을 촬영하고 특징지을 수 있도록 해 주었다.

 

눈에 띄는 열복사 - 이것은 근처의 별들에 의해 가열된 가스들로부터 발생하는 것이다 - 가 결핍되어 있다는 것은 새로 발견된 이 천체가 여전히 변화를 겪지 않은 원시의 상태를 유지하고 있음을 의미한다.

 

ALMA를 이용한 추가 연구를 통해 더듬이 은하나 또다른 충돌이 진행중인 은하들 속에서 예가 될만한 원시 거대 별무리를 추가로 발견하게 될지도 모른다.
그렇게 된다면 이 고대 천체의 기원과 이들이 은하의 진화에서 수행한 역할을 밝히는데 서광을 비춰주게 될 것이다.

 

 

Credit: K. Johnson, U.Va.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

동영상> 더듬이은하내에 있는 분자 가스구름의 고밀도 핵을 묘사한 ALMA 데이터

 
 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 5월 7일자 

         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/proto-super-star-cluster
        

참고 : 다양한 성단에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

원문>

For release: May 7, 2015; 11 a.m. EDT

ALMA Discovers Proto Super Star Cluster -- a Cosmic 'Dinosaur Egg' About to Hatch

Globular clusters – dazzling agglomerations of up to a million ancient stars – are among the oldest objects in the universe. Though plentiful in and around many galaxies, newborn examples are vanishingly rare and the conditions necessary to create new ones have never been detected, until now.

Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have discovered what may be the first known example of a globular cluster about to be born: an incredibly massive, extremely dense, yet star-free cloud of molecular gas.

“We may be witnessing one of the most ancient and extreme modes of star formation in the universe,” said Kelsey Johnson, an astronomer at the University of Virginia in Charlottesville and lead author on a paper accepted for publication in the Astrophysical Journal. “This remarkable object looks like it was plucked straight out of the very early universe. To discover something that has all the characteristics of a globular cluster, yet has not begun making stars, is like finding a dinosaur egg that’s about to hatch.”

This object, which the astronomers playfully refer to as the "Firecracker,” is located approximately 50 million light-years away from Earth nestled inside a famous pair of interacting galaxies (NGC 4038 and NGC 4039), which are collectively known as the Antennae galaxies. The tidal forces generated by their ongoing merger are triggering star formation on a colossal scale, much of it occurring inside dense clusters.

What makes the Firecracker unique, however, is its extraordinary mass, comparatively small size, and apparent lack of stars.

All other globular cluster analogues astronomers have observed to date are already brimming with stars. The heat and radiation from these stars have therefore altered the surrounding environment considerably, erasing any evidence of its colder, quieter beginnings.

With ALMA, the astronomers were able to find and study in detail a pristine example of such an object before stars forever change its unique characteristics. This afforded astronomers a first-ever glimpse of the conditions that may have led to the formation of many, if not all globular clusters.

“Until now, clouds with this potential have only been seen as teenagers, after star formation had begun,” said Johnson. “That meant that the nursery had already been disturbed. To understand how a globular cluster forms, you need to see its true beginnings.”

Most globular clusters formed during a veritable “baby boom” around 12 billion years ago, at a time when galaxies first assembled. Each contains as many as a million densely packed “second generation” stars -- stars with conspicuously low concentrations of heavy metals, indicating they formed very early in the history of the universe. Our own Milky Way is known to have at least 150 such clusters, though it may have many more.

Throughout the universe, star clusters of various sizes are still forming to this day. It’s possible, though increasingly rare, that the largest and densest of these will go on to become globular clusters.

“The survival rate for a massive young star cluster to remain intact is very low – around one percent,” said Johnson. “Various external and internal forces pull these objects apart, either forming open clusters like the Pleiades or completely disintegrating to become part of a galaxy’s halo.”

The astronomers believe, however, that the object they observed with ALMA, which contains 50 million times the mass of the Sun in molecular gas, is sufficiently dense that it has a good chance of being one of the lucky ones.

Globular clusters evolve out of their embryonic, star-free stage very rapidly -- in as little as one million years. This means the object discovered by ALMA is undergoing a very special phase of its life, offering astronomers a unique opportunity to study a major component of the early universe.

The ALMA data also indicate that the Firecracker cloud is under extreme pressure – approximately 10,000 times greater than typical interstellar pressures. This supports previous theories that high pressures are required to form globular clusters.  

In exploring the Antennae, Johnson and her colleagues observed the faint emission from carbon monoxide molecules, which allowed them to image and characterize individual clouds of dust and gas. The lack of any appreciable thermal emission – the telltale signal given off by gas heated by nearby stars – confirms that this newly discovered object is still in its pristine, unaltered state.

Further studies with ALMA may reveal additional examples of proto super star clusters in the Antennae galaxies and other interacting galaxies, shedding light on the origins of these ancient objects and the role they play in galactic evolution.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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Contact: Charles Blue
NRAO Public Information Officer
Charlottesville, Virginia
Tel: (434) 296-0314
Email: cblue@nrao.edu

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the US National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

Reference:
“The Physical Conditions in a Pre Super Star Cluster Molecular Cloud in the Antennae Galaxies,” K. E. Johnson et al., 2015, to appear in the Astrophysical Journal [http://apj.aas.org, preprint: http://arxiv.org/abs/1503.06477].