안드로메다 은하를 통해 발견한 별탄생의 숨겨진 단서

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, and L.C. Johnson (University of Washington), the PHAT team, and R. Gendler

 

사진 1> 상단 사진 - 이 사진은 허블우주망원경으로 촬영한 414장의 사진을 모자이크한 안드로메다 은하의 사진이다. 
이 방대한 파노라마 사진에는 근자외선과 가시광선, 근적외선 대역에서 총 8천번의 개별적인 노출을 이용하여 취득한 데이터가 함께 포함되어 있으며 2,753개의 별무리가 담겨있다. 
사진의 폭은 61,600광년을 담고 있으며 안드로메다 은하 원반 상에 있는 1억 1700만개의 별들이 담겨 있다.

하단 왼쪽 - 상단 사진의 네모 부분을 확대한 사진으로서 무수한 별들과 수많은 산개성단들이 밝고 푸른 점으로 그 모습을 드러내고 있다.
허블의 고해상도 관측 능력은 천문학자들로 하여금 그 어느때보다도 많은 별무리들을 샘플링할 수 있도록 해 주었다.
사진의 폭은 4,400 광년이다. 

하단 오른쪽 - 6개의 밝은 별무리의 모습.

천문학자들은 그 이유가 무엇이든간에 우주는 명백하게 대단히 무거운 별로부터 작은 별에 이르기까지 일관된 비율로 별들을 만들어내고 있음을 발견해냈다.

이러한 특성은 별무리의 질량 편차가 10배에나 이르고 그 연령폭도 400만년에서 2400만년까지 다양함에도 불구하고 은하 전역에서 일관되게 나타나고 있었다.

각 사진의 폭은 150광년이다.

 

허블우주망원경을 이용한 우리의 이웃은하인 안드로메다 은하(M31)의 2,753개 별무리에 대한 관측을 통해 M31과 미리내가 질량대비 동일한 비율로 새로운 별들을 만들어내고 있다는 사실을 알아냈다. 
 

별무리에서 특정 질량을 가지고 있는 별들의 비율 또는 초기질량함수(the Initial Mass Function, IMF)를 정의함으로써 과학자들은 멀리 떨어진 은하의 빛을 보다 잘 해석할 수 있게 되었고, 우주에서 별의 생성 역사에 대해 보다 나은 이해를 할 수 있게 되었다.

 

414장의 허블 모자이크 사진을 대상으로 수행된 이번 강도높은 조사는 천문학자들과 자원봉사들로 구성된 일반 시민들간의 협조하에 이루어진 독특한 협업 작업이었다.
이들 시민과학자들은 엄청난 허블 데이터를 분석하는데 있어 값진 도움을 제공해주었다.

 

워싱턴 대학의 다니엘 와이스즈(Daniel Weisz)는 자신들이 분석해야 할 엄청난 양의 허블 사진들로 인해 이들 시민 과학자들의 도움이 없었다면 초기질량함수에 대한 연구는 결코 가능하지 않았을 것이라고 말했다.
와이스즈는 6월 20일 아스트로피지컬 저널에 개재된 논문의 수석 저자이다.

 

초기질량함수를 측정하는 것은 허블우주망원경으로 시도된 야망적인 탐사 계획인 '허블우주망원경의 모든 파장으로 담아내는 안드로메다 촬영 프로그램'(the Panchromatic Hubble Andromeda Treasury program, 이하 PHAT)의 숨겨진 주요 견인차였다.

 

안드로메다 은하의 은하 원반에서는 거의 8천 장에 달하는 사진들과 1억 1천 7백만개에 달하는 별들에 대한 데이터가 근자외선과 가시광선, 근적외선 영역에서 수집되었다.

 

별들은 거대한 수소분자와 먼지, 그리고 일부 원소들이 뒤섞인 거대 구름이 붕괴되면서 탄생한다. 

이 거대 구름은 작은 점들로 뜯어지고 이 각각에서 수백개의 별들이 탄생하게 된다.

이때 탄생하는 별들은 제각각의 질량을 가지고 태어난다.
어떤 경우는 태양 질량의 12분의 1정도 밖에 되지 않지만 또 어떤 경우는 태양 질량의 200 배에 달하기도 한다.

 

허블의 기념비적인 M31 탐사가 있기 전에 천문학자들이 가정한 초기질량함수는 오직 미리내 내부 특정 별생성 구역을 기반으로 만들어진 것이었다.

그러나 허블의 고해상도 관측 능력은 지구로부터 무려 250만 광년 떨어진 별무리를 가장 대규모로 샘플링하여 이를 대상으로 초기질량함수를 비교할 수 있게 해 주었다.

별무리들이 은하 전역에 산재해 있었기 때문에 탐사 역시 광범위하게 수행되었다.
질량 분포 측면에서 10가지로 구분된 별무리들의 연령은 400만 년에서 2,400만 년 상관에 해당했다.

 

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 2> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 244

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 3> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 94

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 4> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 108

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 5> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 6

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 6> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 323

 

Credit: NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, L.C. Johnson (University of Washington), and the PHAT team

 

사진 7> 안드로메다 은하의 원반에서 식별된 산개성단 AP 14

 

그런데 과학자들에게는 대단히 놀랍게도 초기질량함수는 조사대상이 되었던 모든 별무리에서 매우 비슷하게 나타났다.

우주는 명백하게 마치 하나의 쿠키판에 동일하게 과자를 구워내듯 대단히 무거운 푸른색의 거대 별로부터 작은 붉은 색의 난쟁이 별에 이르기까지 일관된 비율로 별들을 만들어내고 있었던 것이다.

 

초기질량함수가 안드로메다 은하 전역에 걸쳐서 너무나 일관된 형태로 나타났기 때문에 별 생성에 복잡한 물리적 특징이 개입되어 있다고 생각하기는 어렵게 되었다고 와이스즈는 말했다.

흥미롭게도 이들 별무리에 속해 있는 가장 밝고 가장 무거운 별들은 이전의 연구에서 예측된대로 25% 이하 수준으로 존재하고 있었다.

 

천문학자들은 가장 밝은 별들로부터 쏟아져나오는 빛을 이용하여 멀리 떨어진 별무리와 은하의 질량을 측정하며 별무리에서 별들이 얼마나 빠르게 생성되는지를 측정한다.

이번 연구 결과는 이전의 탐사자료를 이용한 질량 측정치는 너무나 적은 질량 값을 가지고 있다는 점을 말해주고 있다.

왜냐하면 이전 연구들은 밝고 무거운 별들과 함께 형성되는 질량이 적고 희미한 별들을 너무나 적게 가정하고 있었기 때문이다.

 

이러한 증거는 초기 우주에서 행성이 형성되는데 있어 그닥 무거운 원소들을 많이 가지고 있지 않았다는 사실에도 적용될 수 있다.

왜냐하면 행성 형성의 벽돌이 되는 무거운 원소를 만들어낼만한 초신성이 더 적게 존재하고 있었을 것이기 때문이다.

 

대략 100억년 전 우주에서 별의 생성 비율을 알아내는 것은 매우 중요하다. 왜냐하면 그 시점이 우주의 대부분이 별들이 생성되던 시기이기 때문이다.

 

이번 연구의 근간을 형성한 PHAT 별무리 목록은 3만명의 자원봉사자들이 별무리를 촬영한 수천 장의 허블우주망원경의 사진을 선별하는데 도움을 줌으로써 구축될 수 있었다.

주니버스(Zooniverse) 협회가 주관하는 안드로메다 프로젝트는 수많은 시민 과학자들이 참여하는 프로젝트 중 하나이다.

25일간의 과정동안 시민 과학자들은 182만개의 사진을 별들의 집중 양상과 그 형태, 배경으로부터 별들이 잘 분리되어 보이는지 여부 등을 기준으로 분류하였다. 이는 한 사람이 지속적인 집중력을 24개월동안 유지하면서 성취할 수 있는 분량에 해당한다.

과학자들은 이렇게 분류된 자료를 이용하여 2,753개의 샘플 별무리를 식별해냄으로써 PHAT 탐사 지역 내에서 알려진 별무리의 총 수를 6배나 확장시켰다.

와이스즈의 소감은 다음과 같다.
"시민 과학자들의 노력은 이번 초기질량함수의 새로운 측정치 도출을 포함하여 새롭고도 흥미로운 과학 연구를 진행하는데 있어  그 다양성의 문을 열어젖힌 것이라 할 수 있습니다."

 

출처 : 허블사이트 2015년 9월 3일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/18/         

 

참고 : 본 뉴스에 등장하는 안드로메다 은하의 사진은 지금까지 촬영된 안드로메다 은하의 사진으로서는 최고해상도를 자랑하는 사진입니다.
이 사진에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12347631
          
참고 : 안드로메다 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>

News Release Number: STScI-2015-18

Hubble Survey Unlocks Clues to Star Birth in Neighboring Galaxy

In a survey of NASA's Hubble Space Telescope images of 2,753 young, blue star clusters in the neighboring Andromeda galaxy (M31), astronomers have found that M31 and our own galaxy have a similar percentage of newborn stars based on mass.

By nailing down what percentage of stars have a particular mass within a cluster, or the Initial Mass Function (IMF), scientists can better interpret the light from distant galaxies and understand the formation history of stars in our universe.

The intensive survey, assembled from 414 Hubble mosaic photographs of M31, was a unique collaboration between astronomers and "citizen scientists," volunteers who provided invaluable help in analyzing the mountain of data from Hubble.

"Given the sheer volume of Hubble images, our study of the IMF would not have been possible without the help of citizen scientists," said Daniel Weisz of the University of Washington in Seattle. Weisz is lead author on a paper that appeared in the June 20 issue of The Astrophysical Journal.

Measuring the IMF was the primary driver behind Hubble's ambitious panoramic survey of our neighboring galaxy, called the Panchromatic Hubble Andromeda Treasury (PHAT) program. Nearly 8,000 images of 117 million stars in the galaxy's disk were obtained from viewing Andromeda in near-ultraviolet, visible, and near-infrared wavelengths.

Stars are born when a giant cloud of molecular hydrogen, dust, and trace elements collapses. The cloud fragments into small knots of material that each precipitate hundreds of stars. The stars are not all created equally: their masses can range from 1/12th to a couple hundred times the mass of our sun.

Prior to Hubble's landmark survey of the star-filled disk of M31, astronomers only had IMF measurements made in the local stellar neighborhood within our own galaxy. But Hubble's bird's-eye view of M31 allowed astronomers to compare the IMF among a larger-than-ever sampling of star clusters that are all at approximately the same distance from Earth, 2.5 million light-years. The survey is diverse because the clusters are scattered across the galaxy; they vary in mass by factors of 10, and they range in age from 4 million to 24 million years old.

To the researchers' surprise, the IMF was very similar among all the clusters surveyed. Nature apparently cooks up stars like batches of cookies, with a consistent distribution from massive blue supergiant stars to small red dwarf stars. "It's hard to imagine that the IMF is so uniform across our neighboring galaxy given the complex physics of star formation," Weisz said.

Curiously, the brightest and most massive stars in these clusters are 25 percent less abundant than predicted by previous research. Astronomers use the light from these brightest stars to weigh distant star clusters and galaxies and to measure how rapidly the clusters are forming stars. This result suggests that mass estimates using previous work were too low because they assumed that there were too few faint, low-mass stars forming along with the bright, massive stars.

This evidence also implies that the early universe did not have as many heavy elements for making planets, because there would be fewer supernovae from massive stars to manufacture heavy elements for planet building. It is critical to know the star-formation rate in the early universe — about 10 billion years ago — because that was the time when most of the universe's stars formed.

The PHAT star cluster catalog, which forms the foundation of this study, was assembled with the help of 30,000 volunteers who sifted through the thousands of images taken by Hubble to search for star clusters.

The Andromeda Project is one of the many citizen science efforts hosted by the Zooniverse organization. Over the course of 25 days, the citizen-scientist volunteers submitted 1.82 million individual image classifications (based on how concentrated the stars were, their shapes, and how well the stars stood out from the background), which roughly represents 24 months of constant human attention. Scientists used these classifications to identify a sample of 2,753 star clusters, increasing the number of known clusters by a factor of six in the PHAT survey region. "The efforts of these citizen scientists open the door to a variety of new and interesting scientific investigations, including this new measurement of the IMF," Weisz said.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

Felicia Chou
NASA Headquarters, Washington, D.C.
202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

Daniel Weisz
University of Washington, Seattle, Washington
612-226-4953
dweisz@uw.edu