CR7 : 태초의 별을 품고 있는 은하가 발견되다.

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 상상화는 ESO의 VLT에 의해 발견된 CR7 은하를 묘사한 것이다.

이 은하는 초기 우주에서 발견된 은하들 중 가장 밝은 은하이며, 그 품에 첫세대에 해당하는 별들이 있다는 강력한 증거가 발견된 은하이다.

지금까지 이론상으로만 예견되어 왔던 엄청난 질량과 밝기의 이 첫세대 별들은 오늘날 우리 주위의 별들과 그 별들 주위를 도는 행성들 그리고 우리가 아는한 생명체를 만드는데 반드시 필요한 첫번째 무거운 원소들을 만들어낸 별들이다.

이 은하는 지금까지 알려진 먼거리의 가장 밝은 은하(히미코)보다 세 배 더 밝게 빛나고 있다

 

 

CR7 : 가장 밝은 원시은하, 그리고 세번째 별종족(Population III)의 신호  

 

천문학자들이 ESO의 초대형망원경(Very Large Telescope, VLT)을 이용하여 초기우주에서 발견된 은하들 중 가장 밝은 은하를 발견하였으며 이 은하가 품고 있는 별들이 1세대에 해당하는 별들이라는 강력한 증거를 발견해냈다.

지금까지는 순전히 이론상의 천체로만 알려져 있던 이 별들은 엄청난 질량과 밝은 빛을 지니고 있으며 최초의 무거운 원소들을 만들어낸 창조자들이기도 하다.
이 무거운 원소들이 오늘날 우리 주위의 별들과 그 별들 주위를 도는 행성들, 그리고 우리가 아는 한 생명체를 만드는데 필요한 원소들이다.  

CR7 이라는 이름이 붙은 이 은하는 지금까지 알려져 있던 가장 밝은 은하보다 무려 3배나 더 밝은 상태이다.

 

천문학자들은 오랜동안 세번째 별종족(Population III)이라고 알려져 있는 첫세대 별의 존재에 대한 이론을 정립해왔다.

이 별들은 빅뱅으로부터 생성된 태초의 물질로 만들어진 별들이다.[1]

 

생명체의 본질을 이루는 산소나 질소, 탄소나 철과 같은 무거운 화학 원소는 모두 별 내부에서 벼려진다.

이는 첫번재 별들이 이러한 원소들이 있기 전 태초에 존재하던 수소나 헬륨, 그리고 아주 적은 양의 리튬으로 만들어져 있었을 것이라는 점을 의미한다.

 

세번째 별종족에 해당하는 별들은 엄청나게 거대한 몸집을 가지고 있어서 그 질량은 아마도 태양질량의 수백배에서 수천배에 달했을 것이다.
엄청난 불꽃이 이글거리던 이 별들은 짧은 순간 진화를 마치고 대략 2백만년 상관에 초신성로 폭발했을 것이다.

그러나 지금까지 이들의 존재에 대한 물리적 증거는 결정적이지 않은 것들 뿐이었다 [2].

 

천체물리학 및 우주과학 연구소와 리스본 과학대학의 교수이자, 네덜란드 라이든 천문대 소속인 데이비드 소브랄( David Sobral)이 이끄는 연구팀은
ESO의 VLT를 이용하여 재이온화의 시기로 알려져 있는 빅뱅이후 대략 8억년이 지난 시점의 고대 우주를 관측하였다.

연구팀은 하늘에서 특정 지점만을 집중적으로 관측하는 대신 시야를 좀더 확대하여, 지금까지 시도된 고대은하들에 대한 관측 중에서 가장 넓은 영역을 관측하였다.

 

VLT를 이용한 이 방대한 연구는 M.W 켁 천문대와 쓰바루망원경 그리고 허블우주망원경의 도움을 받기도 하였다.

그리고 연구팀은 놀랄 정도로 밝은, 갓태어난 은하들을 발견하게 되었다.

이 은하들 중에 하나인 CR7[3]이라는 이름의 은하는 이중에서도 특히 예외적인 은하로서 이 시기에 관측된 그 어느 은하들보다 밝게 빛나고 있는 은하이다. [4]

 

CR7을 비롯한 다른 밝은 은하들의 발견으로 이번 연구는 이미 대성공을 거둔 셈인데, 추가 연구를 통해 훨씬 더 놀라운 뉴스들을 제공하게 될 것이다.

 

VLT에 장착된 X-shooter와 SINFONI 는 CR7에서 강력한 이온화 헬륨 복사를 감지해냈다.
그러나 결정적인 것은 이 은하의 밝은 빛에서 일체 무거운 원소의 흔적이 발견되지 않았다는 사실이다.

이는 연구팀이 초기 우주의 은하속에서 이온화 가스를 동반하고 있는 세번째 별종족에 대한 최초의 제대로된 증거를 발견했음을 의미하는 것이었다.[5]

 

데이비드 소브랄의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이처럼 밝은 은하를 발견할 것이라고 기대하지는 않았기 때문에 이번 발견은 시작부터 우리 기대를 넘어서는 것이었죠.
CR7의 특성을 하나하나 밝혀나가면서 우리는 지금까지 머나먼 은하들 중 가장 밝은 은하를 발견했다는 사실을 알 수 있게 되었을 뿐만 아니라 이 은하가 세번째 별종족에서 기대된 특징을 모두 가지고 있다는 것도 알게 되었죠.
이 은하의 별들이 결국 우리가 여기 있을 수 있게 해준 첫번재 무거운 원소들을 만들어냈을 것입니다.
이것보다 더 흥분되는 일은 정말 없을거라 생각합니다."
 

CR7에는 좀더 푸른색을 띠거나 어느정도 붉은 빛을 띠고 있는 별무리들이 발견된다.
이는 세번째 별종족의 생성이 이론에서 예견한 것과 같이 파상적으로 이루어졌음을 의미하는 것이다.

연구팀이 직접적으로 관측한 것은 세번째 별종족의 마지막 세대에 해당하는 별들이다.
이러한 사실은 이 별들을 발견하는 것이 생각보다는 좀더 수월할 수 있음을 말해주는 것이다.
이 별들은 너무 오래전이거나 너무나 작거나 너무나 희미해서 관측을 하기에는 극도로 어려운 은하들만은 아닌, 비교적 밝은 은하에서 일반적인 별들 사이에 존재하고 있다.

 

이번 논문의 제 2 저자인 요르트 마티(Jorryt Matthee)의 소감은 다음과 같다.
"저는 항상 우리가 어디로부터 왔는지가 궁금했답니다.
심지어는 어렸을 때에도 내 뼈와 근육, 그리고 피를 구성하고 있는 칼슘과 탄소와 철이 어디에서 온 것인지를 알고 싶어했습니다.
저는 이것들이 우주가 시작되던 때 첫세대의 별들에 의해 만들어졌다는 것을 알게 되었죠.
그리고 이번 발견을 통해 바로 이 시기의 별들을 실제 볼 수 있게 된 것이랍니다."

 

이번 관측이 정말 세번째 별종족을 관측한 것인지를 확정하기 위하여, 그리고 이에 해당하는 천체를 더 찾아내기 위하여 VLT와 ALMA, 허블우주망원경을 이용한 추가 관측이 계획되어 있다.

 

각주

[1] 세 번째 별종족(별종족 III, 항성종족 III, Population III ) 이라는 이름은 천문학자들이 별을 분류하는데 이미 첫 번째 별종족(Population I )과 두 번째 별종족(Population II) 을 분류한 데서 지어진 이름이다. 
첫 번째 별종족은 미리내의 별로서 우리 태양과 같이 무거운 원소들을 많이 가지고 있고 원반을 형성하고 있는 별들을 말한다.
두 번째 별종족은 이보다는 더 늙은 별로서 무거운 원소는 더 적은, 미리내의 팽대부와 테무리, 또는 구상별무리에서 발견되는 별들을 말한다.
   

[2] 이 별들을 찾아내는 것은 매우 어려운 일이다. 왜냐하면 이들의 수명은 너무나 짧았고, 이들이 빛을 뿜어내던 시기의 우주는 이 별들의 빛으로 인해 불투명했을 것이기 때문이다.

이전의 발견 내용들은 다음과 같다.
나가오(Nagao)와 동료들의 2008년 연구 : 이때는 이온화 헬륨이 일체 감지되지 않았다.

드 브룩(De Breuck)과 동료들의 2000년 연구 : 이온화 헬륨이 포착되기는 했지만 여기에 탄소와 산소가 함께 발견되었고, 활동성 은하핵의 명백한 증거도 발견되었다.

카사타(Cassata)와 동료들의 2013년 연구 : 이온화 헬륨이 포착되었으나 그 너비와 밀도는 매우 낮았으며 탄소와 산소도 함께 발견되었다.

[3] CR7이라는 이름은 코스모스 적색편이 7(COSMOS Redshift 7)이라는 표현을 줄여 붙여진 이름이다. 
적색편이 수치가 높을수록 해당 은하는 더 멀리 떨어져 있고, 우주의 역사에서 더 과거로 올라가게 된다.

예를 들어 지금까지 발견된 은하들 중 가장 오래된 은하 중 하나인 A1689-zD1의 적색편이 수치는 7.5이다.

(참고 : A1689-zD1 은하)

CR7은 육분의 자리의 특정 하늘 대역을 집중적으로 연구하고 있는 COSMOS 프로그램의 대상 관측 지역에 자리잡고 있다.

이 이름은 또한 포르투갈의 유명한 축구선수인 크리스티아누 호날두를 떠올리는 이름이기도 하다. 그 역시 CR7으로 불리곤 한다.

 

[4] CR7은 이 분야에서 최고기록을 가지고 있는 히미코(Himiko) 은하보다 자외선 복사의 영역에서 3배나 더 밝게 빛나고 있다. 
히미코 은하 역시 우주 초기의 은하중 하나로 간주되고 있는 은하이다.
이후 시기에 탄생한, 먼지를 많이 가지고 있는 은하들은 데워진 먼지로부터 복사되어 나오는 적외선으로 인해 전체에너지 량은 CR7보다 훨씬더 많을 것이다.  
CR7의 경우 에너지의 대부분은 자외선과 가시광선 대역에서 나오고 있다.

 

[5] 이에 대해 연구팀은 두 가지 가능성을 고려했었다.
우선 이 빛의 근원이 활성은하핵(Active Galaxy Nucleus, AGN)이나 울프-레이에 별로부터 나올 것이라는 가정이 첫번째이다. 
그러나 무거운 원소가 존재하지 않는 점과 다른 증거들은 이 두 개 천체의 가능성을 강력하게 부인하고 있었다. 
연구팀은 또한 이 빛의 원천이 별을 거치지 않고 직접붕괴를 통해 블랙홀이 된 천체에서 유래하는 것일지도 모른다고 가정했다.
이 블랙홀은 순전히 이론상으로만 존재하는 천체이다.  
그러나 이러한 가정은 이와 같은 블랙홀에서 이론적으로 예측되는 수치보다  훨씬 밝은 수소와 헬륨복사선이 나타나고 있다는 점과 폭이 넓은 복사선이 존재하지 않는다는 점 때문에 가능성은 희박하다. 
추가 관측이 필요하긴 하지만 X선복사가 존재하지 않는다는 점은 이 가정에 대한 가장 강력한 반론이 된다.

 

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 6월 17일자
          http://www.eso.org/public/news/eso1524/

 

참고 : CR7을 비롯한 각종 먼거리 은하 등 다양한 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 

참고 : 가장 멀리 떨어져 있는 은하에 대한 포스팅은 하기 링크를 참고하세요.
          https://big-crunch.tistory.com/12347928

 

 

원문>

eso1524 — Science Release

Best Observational Evidence of First Generation Stars in the Universe

VLT discovers CR7, the brightest distant galaxy, and signs of Population III stars

17 June 2015

Astronomers using ESO’s Very Large Telescope have discovered by far the brightest galaxy yet found in the early Universe and found strong evidence that examples of the first generation of stars lurk within it. These massive, brilliant, and previously purely theoretical objects were the creators of the first heavy elements in history — the elements necessary to forge the stars around us today, the planets that orbit them, and life as we know it. The newly found galaxy, labelled CR7, is three times brighter than the brightest distant galaxy known up to now.

Astronomers have long theorised the existence of a first generation of stars — known as Population III stars — that were born out of the primordial material from the Big Bang [1]. All the heavier chemical elements — such as oxygen, nitrogen, carbon and iron, which are essential to life — were forged in the bellies of stars. This means that the first stars must have formed out of the only elements to exist prior to stars: hydrogen, helium and trace amounts of lithium.

These Population III stars would have been enormous — several hundred or even a thousand times more massive than the Sun — blazing hot, and transient — exploding as supernovae after only about two million years. But until now the search for physical proof of their existence had been inconclusive [2].

A team led by David Sobral, from the Institute of Astrophysics and Space Sciences, the Faculty of Sciences of the University of Lisbon in Portugal, and Leiden Observatory in the Netherlands, has now used ESO’s Very Large Telescope (VLT) to peer back into the ancient Universe, to a period known as reionisation, approximately 800 million years after the Big Bang. Instead of conducting a narrow and deep study of a small area of the sky, they broadened their scope to produce the widest survey of very distant galaxies ever attempted.

Their expansive study was made using the VLT with help from the W. M. Keck Observatory and the Subaru Telescope as well as the NASA/ESA Hubble Space Telescope. The team discovered — and confirmed — a number of surprisingly bright very young galaxies. one of these, labelled CR7 [3], was an exceptionally rare object, by far the brightest galaxy ever observed at this stage in the Universe [4]. With the discovery of CR7 and other bright galaxies, the study was already a success, but further inspection provided additional exciting news.

The X-shooter and SINFONI instruments on the VLT found strong ionised helium emission in CR7 but — crucially and surprisingly — no sign of any heavier elements in a bright pocket in the galaxy. This meant the team had discovered the first good evidence for clusters of Population III stars that had ionised gas within a galaxy in the early Universe [5].

“The discovery challenged our expectations from the start,” said David Sobral, “as we didn’t expect to find such a bright galaxy. Then, by unveiling the nature of CR7 piece by piece, we understood that not only had we found by far the most luminous distant galaxy, but also started to realise that it had every single characteristic expected of Population III stars. Those stars were the ones that formed the first heavy atoms that ultimately allowed us to be here. It doesn’t really get any more exciting than this.”

Within CR7, bluer and somewhat redder clusters of stars were found, indicating that the formation of Population III stars had occurred in waves — as had been predicted. What the team directly observed was the last wave of Population III stars, suggesting that such stars should be easier to find than previously thought: they reside amongst regular stars, in brighter galaxies, not just in the earliest, smallest, and dimmest galaxies, which are so faint as to be extremely difficult to study.

Jorryt Matthee, second author of the paper, concluded: “I have always wondered where we come from. Even as a child I wanted to know where the elements come from: the calcium in my bones, the carbon in my muscles, the iron in my blood. I found out that these were first formed at the very beginning of the Universe, by the first generation of stars. With this discovery, remarkably, we are starting to actually see such objects for the first time.”

Further observations with the VLT, ALMA, and the NASA/ESA Hubble Space Telescope are planned to confirm beyond doubt that what has been observed are Population III stars, and to search for and identify further examples.

Notes

[1] The name Population III arose because astronomers had already classed the stars of the Milky Way as Population I (stars like the Sun, rich in heavier elements and forming the disc) and Population II (older stars, with a low heavy-element content, and found in the Milky Way bulge and halo, and globular star clusters).

[2] Finding these stars is very difficult: they would have been extremely short-lived, and would have shone at a time when the Universe was largely opaque to their light. Previous findings include: Nagao, et al., 2008, where no ionised helium was detected; De Breuck et al., 2000, where ionised helium was detected, but alongside carbon and oxygen, as well as clear signatures of an active galactic nucleus; and Cassata et al., 2013, where ionised helium was detected, but of a very low equivalent width, or weak intensity, and alongside carbon and oxygen.

[3] CR7’s nickname is an abbreviation of COSMOS Redshift 7, a measure of its place in terms of cosmic time. The higher the redshift, the more distant the galaxy and the further back in the history of the Universe it is seen. A1689-zD1, one of the oldest galaxies ever observed, for example, has a redshift of 7.5.

CR7 is located in the COSMOS field, an intensely studied patch of sky in the constellation of Sextans (The Sextant).

The nickname was inspired by the great Portuguese footballer, Cristiano Ronaldo, who is known as CR7.

[4] CR7 is three times brighter in terms of ultraviolet light emission than the previous titleholder, Himiko, which was thought to be one of a kind at this very early time. Dusty galaxies, at later stages in the history of the Universe, may radiate far more total energy than CR7 in the form of infrared radiation from warm dust. The energy coming from CR7 is mostly ultraviolet/visible light.

[5] The team considered two alternate theories: that the source of the light was either from an AGN or Wolf–Rayet stars. The lack of heavy elements, and other evidence strongly refutes both these theories. The team also considered that the source may be a direct-collapse black hole, which are themselves exceptional exotic and purely theoretical objects. The lack of a broad emission line and the fact that the hydrogen and helium luminosities were much greater than what has been predicted for such a black hole indicate that this, too, is unlikely. A lack of X-ray emissions would further refute this possibility, but additional observations are needed.

More information

This research was presented in a paper entitled “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, by D. Sobral, et al., is accepted for publication in The Astrophysical Journal.

The team is composed of David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal; Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), Jorryt Matthee (Leiden Observatory), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Switzerland; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, France), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA), Huub J. A. Röttgering (Leiden Observatory), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugal) and Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, USA).

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”.

Links

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