BDF 3299 : 초기 우주에서 생성 중인 첫 세대의 은하를 관측하다.

 

Credit:ESO/R. Maiolino

 

사진 1> 이 사진은 ALMA와 초대형빛통(the Very Large Telescope)으로 촬영한 사진을 합성한 것이다.

중심에 보이는 천체는 BDF 3299 라고 등재된 매우 멀리 떨어진 은하로서 우주의 나이가 8억년도 되지 않은 시점에 존재하고 있는 은하이다.

그 바로 아래 왼쪽에 밝고 붉게 보이는 구름은 ALMA가 탐지해낸 광활한 물질 구름으로서 여기서 새로운 은하가 만들어지고 있는 중이다.

 

 

ALMA가 초기 우주에서 생성 중인 첫 세대의 은하를 관측하다.

       
ALMA가 초기 우주의 일반적인 은하에서 지금까지 발견된 별생성 가스 구름 중 가장 멀리 떨어진 가스 구름을 탐지해냈다.

이번 관측은 천문학자들로 하여금 우주에서 첫 세대의 은하들이 어떻게 만들어졌으며 어떻게 이들이 재이온화 시기동안 우주의 안개를 걷어내게 되었는지를 보기 시작하게 해 주었다.

이와 같은 은하들이 그저 희미한 거품들 이상의 형태로 보이기 시작한 것은 이번이 처음이다.

 

빅뱅후 수억 년이 흐른 후 첫 은하들이 만들어지기 시작할 때 우주는 수소 가스의 안개가 가득채우고 있었다. 

 

그러나 거대한 블랙홀에 의해 에너지를 공급받는 퀘이사나 별들과 같은 밝은 천체가 생겨나고 이들이 빛을 뿜어내게 되면서 안개들이 걷혀지게 되었고, 우주는 자외선이 충분히 투과할 수 있을만큼 투명해졌다.[1]

천문학자들은 이 시기를 재이온화 시기라고 부른다.
그러나 이 첫 세대의 은하들에 대해 알려진 것은 거의 없으며 지금까지 이 천체들은 그저 희미한 점처럼 관측되어왔다.

 

그러나 바야흐로 ALMA를 이용한 관측을 통해 이 모든 것이 변하고 있다.

 

영국 캠브리지 대학 캐번디시 연구소 및 카블리 우주론 연구소의 학자 로베르토 마이올리노(Roberto Maiolino)가 이끄는 천문연구팀은 ALMA를 이용하여 빅뱅으로부터 8억년 밖에 되지 않은 시점에 존재하던 은하들을 관측하였다.[2]

 

여기에서 천문학자들이 찾기 시작한 것은 별빛이 아니라 별들이 생성되고 있는 가스구름으로부터 복사되는 이온화 탄소[3]의 희미한 불꽃이었다.

과학자들이 알고 싶어하는 것은 어린 별들과 첫 세대의 은하를 구성하고 있는 차가운 가스 덩어리 간의 상관관계였다.

 

또한 과학자들은 이제까지 충분히 관측되어 온 퀘이사나 매우 빠른 속도로 별들을 만들어내고 있는 은하와 같은 극단적인 밝기를 가진 천체는 관측 대상에서 배제하였다.

그 대신 연구진은 이보다는 훨씬 덜 드라마틱하지만 훨씬 더 일반적인 은하들에 집중하였다.
이 은하들은 우주를 재이온화 시키고 있었으며 오늘날 우리 주위에서 일반적으로 볼 수 있는 은하단으로 진화해가는 은하였다.

 

이 은하들 중 하나인 BDF 3299 라는 이름이 붙은 은하에서 ALMA는 불타오르는 탄소가 만들어내는 희미하지만 명확한 신호를 잡아낼 수 있었다.

그러나 이 불꽃은 은하의 중심이 아니라 한쪽 측면에서 나오고 있었다.

 

이번 논문의 공동저자인 이탈리아 피사 고등사범학교의 안드레아 페라라(Andrea Ferrara)는 이번 발견의 중요성을 다음과 같이 설명하였다.
"이번 관측은 보통 은하로부터 복사되는 이와 같은 종류의 천체 관측으로는 가장 멀리 떨어진 것을 관측한 것입니다.
이 때는 빅뱅 이후 아직 10억년도 채 되지 않은 시점이죠.
이번 관측을 통해 첫 세대의 은하들이 만들어지는 과정을 볼 수 있는 기회가 주어진 셈입니다.
사상 처음으로 우리는 초기의 은하들을 그저 아주 작은 점으로서가 아니라 내부 구조를 갖춘 천체로서 보게 된 것입니다."

 

천문학자들은 이 불꽃이 중심지역이 아닌 측면으로 밀려나 있는 이유를 새로 탄생한 별들의 강렬한 복사와 초신성 폭발의 영향을 받고 있는 난폭한 환경에 의해 원래 중심에 있던 구름들이 분열되었기 때문일 것으로 생각하고 있다.
이 와중에 탄소의 불꽃은 은하간 매질로부터 강착된 신선하고 차가운 가스들의 흔적을 따라가며 보여주고 있다.

이번 ALMA 관측을 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 합쳐본 결과 첫 세대의 은하 내부에서 발생하고 있는 핵심 작용을 세부적으로 이해할 수 있게 되었다.

별들로부터 뿜어져나오는 복사와 살아남은 분자구름, 그리고 이온화 복사로부터 튕겨져나온 물질들과 성간 매질의 복잡한 구조가 만드는 효과는 이제 충분히 계산될 수 있으며 관측 결과와도 비교될 수 있게 되었다.

BDF 3299는 재이온화의 원인이 된 은하의 전형적인 예에 해당하는 것으로 보인다.

 

안드레아 페라라의 설명은 다음과 같다.
"우리는 지금까지 수년 동안 성간 매질과 재이온화를 만들어낸 원인이 되는 천체의 형성에 대해 이해하려고 노력해왔습니다.
마침내 우리는 ALMA의 실제 관측 데이터를 가지고 그간의 예측 및 가설들을 점검할 수 있는 멋진 순간을 맞게 되었고, 이제부터는 다시 새로운 질문들이 시작될 것입니다. 

이러한 종류의 관측은 우주에서 첫세대의 별들과 첫세대 은하의 생성을 비롯하여 우리가 가지고 있는 많은 어려운 문제들을 명확하게 만들어주고 있습니다."
 

로베르토 마이올리노의 결론은 다음과 같다.
"이번 연구는 ALMA가 없이는 불가능했을 것입니다.
그 어느 관측설비도 이러한 관측을 위해 필요했던 감도 및 공간 분해능을 갖추고 있지 못합니다.
비록 이번 관측은 ALMA가 지금까지 수행한 가장 멀리 떨어진 우주의 관측이기도 하지만 아직 ALMA의 성능을 모두 활용할 수 있었던 것은 아닙니다. 앞으로 ALMA를 이용하여 원시 은하의 세부 구조와 우주에서 첫세대의 은하들이 형성되어온 양상을 세부적으로 추적할 수 있게 될 것입니다."

 

 

각주

[1] 중성수소가스는 갓태어난 뜨거운 별들로부터 복사되는 고에너지 자외선을 효과적으로 흡수한다.

결과적으로 이 별들을 초기 우주에서 관측하기란 거의 불가능하다.

그러나 한편으로는 자외선을 흡수하여 이온화된 수소는 완전히 투명해진다.

따라서 뜨거운 별들은 가스 내에서 투명한 거품의 공간을 만들어내게 된다.

이렇게 생겨난 거품들이 합치고 합쳐져 우주를 가득 채웠을 때 재이온화가 완결되면서 우주는 투명해졌다.

[2] 이들의 적색편이 범주는 6.8 (7억 8천만년)에서 7.1 (7억 5천만년)사이이다.

 

[3] 천문학자들은 특별히 이온화 탄소에 관심이 있다.

이 특별한 분광선은 별들로부터 분출되어 나오는 대부분의 에너지에 묻어나오며

천문학자은 이를 통해 별을 만들고 있는 차가운 가스를 쫓아갈 수 있게 된다.

특별히 연구팀이 중점을 두어 찾은 것은 C II 라고 알려져 있는 단일 이온화 탄소의 복사였다.

이 복사는 158마이크로미터 파장에서 방출된 후, 우리에게 도달하기까지 우주의 팽창에 영향을 받아 파장 역시 늘어나면서 ALMA에 감지되었을 때는 1.3밀리미터 파장에서 감지되었다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 7월 22일자
         http://www.eso.org/public/news/eso1530/
        

참고 : BDF 3299를 비롯한 각종 원시 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 : 우주의 생성 역사를 비롯한 각종 우주론 관련 내용은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346979

참고 : 가장 멀리 떨어진 은하 순위
           https://big-crunch.tistory.com/12347928

 

원문>

eso1530 — Science Release

ALMA Witnesses Assembly of Galaxies in the Early Universe for the First Time

22 July 2015

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has been used to detect the most distant clouds of star-forming gas yet found in normal galaxies in the early Universe. The new observations allow astronomers to start to see how the first galaxies were built up and how they cleared the cosmic fog during the era of reionisation. This is the first time that such galaxies are seen as more than just faint blobs.

When the first galaxies started to form a few hundred million years after the Big Bang, the Universe was full of a fog of hydrogen gas. But as more and more brilliant sources — both stars and quasars powered by huge black holes — started to shine they cleared away the mist and made the Universe transparent to ultraviolet light [1]. Astronomers call this the epoch of reionisation, but little is known about these first galaxies, and up to now they have just been seen as very faint blobs. But now new observations using the power of ALMA are starting to change this.

A team of astronomers led by Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory and Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, United Kingdom) trained ALMA on galaxies that were known to be seen only about 800 million years after the Big Bang [2]. The astronomers were not looking for the light from stars, but instead for the faint glow of ionised carbon [3] coming from the clouds of gas from which the stars were forming. They wanted to study the interaction between a young generation of stars and the cold clumps that were assembling into these first galaxies.

They were also not looking for the extremely brilliant rare objects — such as quasars and galaxies with very high rates of star formation — that had been seen up to now. Instead they concentrated on rather less dramatic, but much more common, galaxies that reionised the Universe and went on to turn into the bulk of the galaxies that we see around us now.

From one of the galaxies — given the label BDF 3299 — ALMA could pick up a faint but clear signal from the glowing carbon. However, this glow wasn’t coming from the centre of the galaxy, but rather from one side.

Co-author Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy) explains the significance of the new findings: “This is the most distant detection ever of this kind of emission from a ‘normal’ galaxy, seen less than one billion years after the Big Bang. It gives us the opportunity to watch the build-up of the first galaxies. For the first time we are seeing early galaxies not merely as tiny blobs, but as objects with internal structure!”

The astronomers think that the off-centre location of the glow is because the central clouds are being disrupted by the harsh environment created by the newly formed stars — both their intense radiation and the effects of supernova explosions — while the carbon glow is tracing fresh cold gas that is being accreted from the intergalactic medium.

By combining the new ALMA observations with computer simulations, it has been possible to understand in detail key processes occurring within the first galaxies. The effects of the radiation from stars, the survival of molecular clouds, the escape of ionising radiation and the complex structure of the interstellar medium can now be calculated and compared with observation. BDF 3299 is likely to be a typical example of the galaxies responsible for reionisation.

“We have been trying to understand the interstellar medium and the formation of the reionisation sources for many years. Finally to be able to test predictions and hypotheses on real data from ALMA is an exciting moment and opens up a new set of questions.This type of observation will clarify many of the thorny problems we have with the formation of the first stars and galaxies in the Universe,” adds Andrea Ferrara.

Roberto Maiolino concludes: “This study would have simply been impossible without ALMA, as no other instrument could reach the sensitivity and spatial resolution required. Although this is one of the deepest ALMA observations so far it is still far from achieving its ultimate capabilities. In future ALMA will image the fine structure of primordial galaxies and trace in detail the build-up of the very first galaxies.”

Notes

[1] Neutral hydrogen gas very efficiently absorbs all the high-energy ultraviolet light emitted by young hot stars. Consequently, these stars are almost impossible to observe in the early Universe. At the same time, the absorbed ultraviolet light ionises the hydrogen, making it fully transparent. The hot stars are therefore carving transparent bubbles in the gas. once all these bubbles merge to fill all of space, reionisation is complete and the Universe becomes transparent.

[2] They had redshifts ranging from 6.8 to 7.1.

[3] Astronomers are particularly interested in ionised carbon as this particular spectral line carries away most of the energy injected by stars and allows astronomers to trace the cold gas out of which stars form. Specifically, the team were looking for the emission from singly ionised carbon (known as [C II]). This radiation is emitted at a wavelength of 158 micrometres, and by the time it is stretched by the expansion of the Universe arrives at ALMA at just the right wavelength for it to be detected at a wavelength of about 1.3 millimetres.

More information

This research was presented in a paper “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA”, by R. Maiolino et al., to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on 22 July 2015.

The team is composed of R. Maiolino (Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom; Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Cambridge, United Kingdom) S. Carniani (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology; Universitá di Firenze, Florence, Italy), A. Fontana (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy; Universitá di Bologna, Bologna, Italy), L. Pentericci (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy), E. Vanzella (INAF–Bologna Astronomical Observatory, Bologna, Italy), A. Grazian (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy), M. Castellano (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), S. Cristiani (INAF–Trieste Astronomical Observatory, Trieste, Italy), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA), P. Santini (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Jodrell Bank Observatory, United Kingdom) and R. Williams (Cavendish Laboratory; Kavli Institute for Cosmology).

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).

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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”.

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Email: r.maiolino@mrao.cam.ac.uk

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