탄소의 스모그에 잠겨 있는 태초의 은하들을 관측하다.

 

ALMA (NRAO/ESO/NAOJ), P. Capak; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF), NASA/ESA Hubble

 

사진 1> 천문학자들이 ALMA를 이용하여 우주의 나이가 고작 10억년 밖에 되지 않은 시점의 일반 은하들을 관측하였다.

이 은하들에서는 이온화 탄소가 별 사이 공간을 가득 채우고 있는 양상이 감지되었는데, 이는 수십억 년 후의 유사한 은하들과 비교했을 때 형태는 완전히 갖춘 상태이지만 화학적으로는 아직 미성숙한 단계에 있음을 말해주는 결과이다.

ALMA가 관측한 4개 은하의 모습이 허블우주망원경이 촬영한 COSMOS 관측상에 담긴 동일한 은하와 비교되어 나타나 있다.

 

천문학자들은 은하의 내부에서 벌어지는 일과 은하의 움직임 및 화학적 조성을 알기 위해 별 사이에 존재하는 원소들에 대해 연구한다.

그러나 지금까지 초기 우주에서 탄소의 전파 신호를 감지하기 위한 노력들은 번번히 실패해왔다.
아마도 - 어느 정도는 예측한대로 - 광활한 우주적 거리에서 관측하기에 충분할만한 양의 탄소가 존재하려면 수십억년의 시간동안 더 많은 별이 필요할지도 모르는 일이기 때문일 것이다.

 

그러나 ALMA를 이용한 새로운 관측을 통해 빅뱅 이후 고작 10억년이 지난 시점에 볼 수 있는 이른바 '정상은하'의 별사이 공간에서, 이곳에 퍼져 있는 탄소 원자의 희미한 흔적들을 처음으로 탐지해낼 수 있었다.

 

이러한 사실은, 수십억 년 후에서야 볼 수 있는 유사한 은하들과는 달리 화학적으로 충분히 진화하지 못한 우주 초기의 정상은하들에서도 이미 탄소가 일반적으로 존재하고 있었음을 의미하는 것이다.

후대의 은하들에서 이온화 탄소의 대부분은 일산화탄소와 같은 단순한 유기분자의 형태로 먼지 알갱이로 압축되어 있다.

 

네이처 지에 발표된 논문의 주저자인 캘리포니아 기술 연구소의 천문학자 피터 케이팩(Peter Capak)의 설명은 다음과 같다.
"천문학자들은 빅뱅 이후 태초의 가스로부터 오늘날 우주 전역의 은하에서 볼 수 있는 복잡한 분자들과 무거운 원소들이 어떻게 만들어졌는지를 이해하기 위한 노력을 계속하고 있습니다.
ALMA 이전에는 이처럼 멀리 떨어져 있는 갓 태어난 은하들을 대상으로 직접적인 관측을 할 수가 없었답니다.
이곳의 탄소로부터 복사되는 전파 신호는 감지하기에 너무나 미약했기 때문이었죠."
 
유례없이 민감한  ALMA의 해상도를 이용하여 우주의 나이가 현재 대비 7%밖에 되지 않았던 시기의 9개의 은하들에서 이온화 탄소로부터 방출되는 희미한 밀리미터 파장의 불꽃을 감지할 수 있었다.

 

탄소와 같은 원자들은 밝고 무거운 별로부터 뿜어져나오는 강력한 자외선 복사에 의해 이온화된다.

 

우주의 여명기로 자주 언급되는 시기에 은하가 처음으로 생성될 때, 별 사이 우주 공간 대부분은 빅뱅으로부터 생성된 수소와 헬륨 혼합물에 의해 가득 차 있었다.

 

이어서 생성된 무거운 질량의 별들이 눈부시게 빛나는 짧은 생을 초신성으로서 마감할 때, 이 별들은 핵융합 반응을 통해 벼려낸 주로 탄소와 규소, 산소 등의 무거운 원소로 구성된 미세한 먼지를 별사이 우주 공간에 뿌려놓았다.

 

이번 논문의 공동저자인 국립전파천문대 크리스 카릴리(Chris Carilli)의 설명은 다음과 같다.
"이온화 탄소의 독특한 스펙트럼은 수소나 헬륨보다 무거운 원소를 풍부하게 포함하고 있는 은하들을 연구할 수 있는 강력한 도구로 오랫동안 간주되어 왔습니다. 

이번 관측은 또한 초기 은하의 역학에 대한 독보적인 탐사이기도 하죠."
 

탄소는 다른 원소들에 들러붙어 간단하거나 복잡한 유기분자들을 만들 수 있기 때문에 다른 원소들과 전혀 연결되지 않은 이온화 상태로 오랫동안 남아 있을 수는 없다.

따라서 탄소는 별 사이 공간에 분포하는 다른 무거운 원소들과 비교했을 때 훨신 낮은 집중양상을 보이는 상태로 발견되곤 한다.

이러한 현상은 이온화 탄소가 상대적으로 어리고 아직 진화를 겪지 않은 은하를 찾아낼 수 있는 훌륭한 추적표식으로 작용할 수 있게 해 준다.

 

케이팩의 설명은 다음과 같다.
"이러한 독특한 상태에서 우리가 탄소를 볼 수 있다는 사실은 별 사이 공간에 존재하는 다른 무거운 원소들의 집중양상이 상대적으로 낮다는 것을 말해주는 것입니다.
이는 무거운 원소들의 먼지가 가득하고 이온화 탄소의 집중 양상이 훨씬 낮은 20억년 후의 은하들과는 극명하게 대비를 이루는 사실이죠."
 
천문학자들은 동일한 관측을 통해 획득한 데이터를 은하간 우주의 속도 카메라로 활용하여 이 은하내에 별사이 공간을 채우고 있는 가스의 속도가 초속 380킬로미터에 달한다는 것도 측정할 수 있었다.

 

케이팩의 소감은 다음과 같다.
"지금까지 이러한 측정은  이토록 멀리 떨어진 은하를 상대로는 불가능한 것이었죠.
이번 관측은 최초의 은하가 어떻게 생겨나고 진화했는지를 이해하는데 있어 새로운 창문을 열어젖힌 것이라고 할 수 있습니다."

ALMA에 의해 관측된 속도는 수십억 년 후 새로운 별들을 만들어내는 일반 은하에서도 유사하게 관측되며 심지어는 오늘날 우리와 가까운 거리에 위치한 은하들에서도 동일하게 관측된다.

ALMA의 데이터는 또한 이 은하들의 질량이 태양의 100억배에서 1000억배 사이의 질량을 가지고 있음도 보여주었는데 이러한 질량은 우리 미리내의 질량과 비견될 만한 수준이다.

이러한 결과는 천문학자들을 놀라게 만드는 결과였는데 지금까지 천문학자들은 초기 우주에 존재하는 정상은하들은 훨씬 낮은 에너지를 보이며 질량 역시 후대의 은하들보다 훨씬 낮을 것이라고 가정해왔기 때문이다.

ALMA의 데이터는 우리가 오늘날 일반적인 크기의 은하로 가정하는 크기의 은하들이 초기 우주에서도 탄생할 수 있음을 보여주는 것이다.

그러나 화학적 조성의 차이와 두드러지게 나타나는 먼지의 결핍 양상은 이들이 진화의 단계에 있어서 전혀 성숙되지 않은 상태임을 말해주는 것이다.

연구가 진행되는 동안 천문학자들은 130억광년 거리에서 전형적인 새로운 별들을 생성해내는 9개의 은하를 선별해 냈다.

이 은하들은 우주진화탐사 프로그램(the Cosmic Evolution Survey, COSMOS) 에 의해 선정된 은하들이며 그 거리는 하와이의 W.M.켁-II 천문대의 DEIMOS (the Deep Extragalactic Imaging Multi-Object Spectrograph, DEIMOS) 분광기에 의해 결정되었다.

칠레 아타카마 사막에 자리잡고 있는 ALMA는 우주의 원소나 분자들에서 복사되는 매우 희미한 밀리미터 파장의 복사를 감지할 수 있다.

이처럼 극단적인 거리까지 떨어져 있는 은하들에 대한 이전의 연구들은 이번에 관측된 것과 같은 동일한 신호를 감지해내는데 모두 실패했다.
왜냐하면 해당 연구들은 충돌이 진행중인 비정형 은하에 초점을 두고 있었기 때문인데 이온화 탄소로부터 발생하는 희미한 신호들이 여기서는 모두 차단되었기 때문이다.

이번 ALMA의 관측은 전체 배열 중 일부를 이용하여 20분도 채 안되는 관측을 통해 달성한 결과로서 ALMA를 이용한 후속 연구가 전체 안테나를 모두 활용하여 이루어진다면 은하의 형성과 그 화학적 조성에 대해 훨씬 더 명확한 자료들을 얻을 수 있게 될 것이다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 6월 25일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/alma-finds-carbon-smog-in-early-galaxies
         
참고 : 태초의 은하를 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 

 

원문>

Embargoed for Release: 1300 US Eastern Time on 24 June 2015

ALMA Detects First Traces of Carbon ‘Smog’ Permeating Interstellar Atmospheres of Early Galaxies

Astronomers study the elements scattered between the stars to learn about the internal workings of galaxies, their motion and chemistry. To date, however, attempts to detect the telltale radio signature of carbon in the very early Universe have been thwarted, perhaps – as some have speculated – by the need to allow a few billion years more for stars to manufacture sufficient quantities to be observed across such vast cosmic distances.

New observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), however, readily detected the first faint traces of carbon atoms permeating the interstellar atmospheres of so-called normal galaxies, seen only one billion years after the Big Bang. This suggests that even though normal galaxies in the very early Universe were already brimming with carbon, they were not nearly as chemically evolved as similar galaxies observed just a few billion years later. In these later galaxies most of the ionized carbon has condensed into dust grains -- simple organic molecules like carbon monoxide (CO).

“Astronomers are trying to better understand how we went from the primordial gas of the Big Bang to the heavy atoms and complex molecules we see in galaxies throughout the Universe today,” said Peter Capak, an astronomer with the California Institute of Technology in Pasadena and lead author on a study appearing in the journal Nature. “Before ALMA, there was no way to directly sample these very young, very distant galaxies because any radio emission from carbon would have simply been too weak to detect.”

ALMA, with its unprecedented sensitivity, was able to detect the faint millimeter “glow” of ionized carbon in the interstellar atmospheres of nine very distant, very young galaxies seen when the Universe was only seven percent of its current age. Atoms like carbon can become ionized by the powerful ultraviolet radiation emitted by bright, massive stars.

When galaxies first assembled, during a period often referred to as “Cosmic Dawn,” most of the space between the stars was filled with a mixture of hydrogen and helium produced in the Big Bang. As subsequent generations of massive stars ended their brief but brilliant lives as supernovas, they seeded the interstellar medium with a fine dust of heavy elements, mostly carbon, silicon, and oxygen, which are forged in their nuclear furnaces.

“The particular spectral signature of ionized carbon has long been considered a potentially powerful tool to study the enrichment of galaxies with elements heavier than hydrogen and helium. It's also a unique probe of early galaxy dynamics,” said co-author Chris Carilli with the National Radio Astronomy Observatory in Socorro, N.M. “The results from this paper clearly demonstrate this potential and portend a great future for these kinds of studies.”

Since carbon has an affinity for other elements, binding to make simple and complex organic molecules, it doesn’t remain in an unbound, ionized state for very long. It is therefore typically found in much lower concentrations when compared with other heavy elements in the interstellar medium.

This makes ionized carbon an excellent tracer of relatively young unevolved galaxies. “The fact that we see carbon in this peculiar state reveals that the concentrations of other heavier elements in the interstellar medium are relatively low,” said Capak. “This is in stark contrast to galaxies just two billion years later, which are teeming with a dust of heavy elements and present a much lower concentration of ionized carbon.”

The astronomers also used the data in these same observations as an intergalactic speed camera, and were able to clock the interstellar gas in these galaxies careening up to 380 kilometers per second. “This is a measurement that was previously impossible for such distant galaxies,” noted Capak. “It opens up a new window into understanding how the first galaxies assembled and evolved.”

The velocities observed by ALMA are similar to those seen in normal, star-forming galaxies a few billion years later and even today in the nearby Universe. The ALMA data also show that the mass of each of these distant galaxies is between 10-100 billion times the mass of the Sun, which is comparable to the mass of the Milky Way.

These results surprised astronomers because they had assumed normal galaxies in the early Universe would be less energetic and have lower masses than those observed at later epochs.

Instead, the ALMA data reveal that the early Universe was capable of creating what we now consider to be normal-size galaxies. The difference in chemistry and the conspicuous lack of dust, however, indicate that they are in a very immature stage of evolution.

For their research, the astronomers selected nine typical star-forming galaxies about 13 billion light-years away. The galaxies were selected from the Cosmic Evolution Survey (COSMOS) and their distances were determined with the Deep Extragalactic Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) on the W. M. Keck-II Observatory in Hawaii.

ALMA, located in the Atacama Desert of Chile, is able to detect the faint millimeter-wavelength radiation emitted by atoms and molecules in space. Earlier studies of galaxies at this extreme distance failed to detect this same signature because they focused on atypical galaxies undergoing merger, which may have masked the faint signal from ionized carbon. The new ALMA observations, which were achieved with only a portion of the array in less than 20 minutes of observations on each source, offer promise that subsequent observations with ALMA’s full complement of antennas will present an even clearer picture of the assembly of galaxies and their chemical compositions.

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. 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).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

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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