태초의 은하의 빛을 감지하다 : SpARCS104922.6+564032.5, SpARCS1049+56

 

Credit: NASA, ESA, and K. Mitchell-Wynne (University of California, Irvine)

 

사진1> 이 세 개의 사진은 허블우주망원경의 깊은 우주 탐사 중 감지된 근적외선배경복사를 보여주고 있다.

왼쪽 모자이크 사진은 10년 이상에 걸쳐 촬영된 것이다.

이 사진의 모든 별들과 은하들을 가리면 두번째 사진과 세번째 사진에 보이는 것처럼 배경을 이루는 신호들이 구별되어 나타난다.

두번째 사진은 자신의 은하들로부터 멀리 떨어져나온 별들로부터 발생하는 "은하 테무리 사이의 빛(intrahalo light)"을 보여주고 있으며 오른쪽 사진은 우주에서 최초로 생성된 은하들의 빛을 보여주고 있다.

 

캘리포니아 대학과 볼티모어 우주망원경과학연구소의 천문학자들이 빅뱅이후 5억년이 지난 시점의 초기 은하에 대해 가장 정밀한 통계적 측정치를 만들어냈다.

2015년 9월 7일 네이처 커뮤니케이션스에 발표된 연구논문에 따르면 연구팀은 새로운 통계기법을 적용하여 허블우주망원경의 데이터를 해석하였다.
 
새로운 통계기법은 과학자들로하여금 허블이 촬영한 딥스카이 사진의 노이즈로부터 특정 신호를 분리할 수 있으며 이 신호로부터 초기 원시 우주 천체를 측정할 수 있음을 말해주고 있다.

 

과학자들은 이를 통해 지금까지 허블의 깊은 우주 관측 프로그램에서 발견된 은하들보다 10배 이상 많은 은하들이 존재한다고 결론지였다.

이번 논문의 수저자인 UCI 박사과정생 케트론 미첼-웨인(Ketron Mitchell-Wynn)은 현재 조사가 진행중인 시기는 "재이온화의 시기"로 알려진 시기라고 말했다.

빅뱅 직후부터 수억년간은 중성수소를 함유한 광자가 우주를 장악하던 시기였다.

재이온화 시키는 별과 은하의 생성 과정에서 수소가스의 천이가 발생한 시기로 정의된다.

 

미첼 웨인은 이 시기가 허블우주망원경을 통해 조사할 수 있는 가장 먼 과거에 해당하는 시기라고 말했다.

 

허블우주망원경의 카메라가 사용하고 있는 CCD는 천문학에서 가장 먼저 사용된 고해상도 전자 화상 센서로서 후에 이 기술은 전문 비디오 카메라에 채택되었다.

연구팀은 가시광선에서 적외선 파장까지로 구성된 데이터를 조사하였다.

적외선 파장의 광자는 별과 은하들로부터 바로 온 것이다.

UCI의 우주론학자이자 이번 연구의 책임자인 애잔타 쿠레이(Asantha Cooray)는 최근 캘리포니아 기술 연구소의 CIBER 장비에 의해 은하간 우주의 적외선배경복사를 탐사해냈다는 점을 강조했다.

그는 CIBER가 1.1마이크론과 1.6 마이크론파장에서 적외선배경복사를 측정했다고 말했다.

이러한 측정결과는 CIBER 연구팀으로 하여금 은하 바깥공간에 분포되어 있는 별들의 "은하 테무리 바깥 공간의 빛(intrahalo light)"이 존재한다는 것을 확정할 수 있게 해 주었다.

쿠레이의 설명은 다음과 같다.
"우리는 은하 테무리 바깥 공간의 빛이 존재한다고 믿고 있습니다.
우리는 허블우주망원경을 이용하여 5개의 대역에서 새로운 발견을 이루어냈죠.
우리는 CIBER를 이용하여 중첩대역을 추려낸 후 바로 짧은 파장의 가시광선 파장으로 연구를 진행해갔습니다.
그리고 여기서 은하 테무리 바깥 공간의 빛을 만들어내는 천체를 발견할 수 있었죠.
이들는 모두 우주에서 가장 이른 시기에 생성된 별들과 은하들이었습니다."

깊은 우주의 관측은 허블우주망원경이 주축을 이루는 대규모 탐사 프로그램인 '근적외선을 이용한 깊은 우주 외계은하의 조합탐사 (the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, 이하 CANDELS)'의 일환으로 이루어진 것이다.

 

미첼-웨인의 설명은 다음과 같다.
"CANCELS가 처음부터 이 문제에 관심을 가졌던 것은 아닙니다.
그러나 CANCELS를 통해 획득된 데이터가 우리가 원하는 연구를 할 수 있는 데이터임이 증명됐죠.
CIBER의 분석자료로부터 우리는 적외선 대역에서 은하 바깥에 존재하는 빛을 탐지해낼 수 있을 것이라는 것을 알게 됏죠.
우리는 여기서 가시광 파장의 빛을 볼 수 있을 거라고는 정말 생각하지 못했답니다.
허블데이터와 함께 우리는 적외선과 가시광 사이에서 진폭이 크게 떨어지는 지점이 있다는 것을 보게 되었죠.
스펙트럼 분석 데이터를 이용하여 우리는 약간씩 확신을 가져나갈 수 있었고,  마침내 가장 이른 시기의 은하들을 볼 수 있게 된 것입니다."

 
쿠레이의 설명은 다음과 같다.
"이번 연구를 위해 우리 연구팀에서 '텅빈 픽셀'이라고 이름을 지은 은하와 별 사이 공간의 픽셀들을 면밀하게 분석했습니다.
우리는 픽셀간의 채도 변이를 통해 첫세대의 은하들과 연관이 있는 희미한 신호들로부터 노이즈를 분리해낼 수 있었죠.
그리고 그곳에 희미한 천체가 몰려 있음을 말해주는 통계적 신호를 끄집어 낼 수 있었습니다.
이 신호는 가시광 파장에서는 전혀 보이지 않았지만 적외선에서는 그 존재를 드러내고 있었습니다.
바로 이것이 우주의 초기시대로부터 온 빛이라는 것이 확정된 것입니다."
 

쿠레이는 이 원시은하들은 오늘날 우주에서 보이는 나선은하나 원반형 은하들처럼 잘 정돈되어 있는 형태와는 매우 다른 형태를 띠고 있다고 생각하고 있다.

이들은 좀더 성기고 거대한 별들이 가득 들어차 있다.

 

쿠레이는 자신들의 발견에 대한 좀더 진보된 관측 증거들은 2018년으로 예정되어 있는 제임스웹 우주망원경에 의해서만 가능할 것이라고 말했다.

쿠레이의 설명은 다음과 같다.
"이 은하들은 너무나 희미해서 제임스 웹과 같은 훨씬 더 큰 망원경이 있어야만 좀더 확실하게 개개의 은하들을 구분해서 볼 수 있을 것입니다."

 

우주망원경과학연구소의 천문학자이자 CANDELS의 공동 수석 연구원인 헨리 C. 퍼거슨의 소감은 다음과 같다.
"이건 정말 흥미로운 발견입니다.
이번 사례는 허블우주망원경을 이용하여 발견한 초기 은하의 미묘한 신호를 납득할 수 있을만큼 측정할 수 있음을 말해주는 최초의 사례로서 나중에 제임스웹우주망원경이 발사되었을 때 우리가 바라봐야 할 것이 무엇인지를 확실하게 말해주는 것입니다."
 
또다른 지역을 연구 중인 쿠레이는 가까운 시일 내에 동일한 지역을 찬드라 X선망원경의 X선과 같은 다른 대역에서도 탐사할 수 있기를 희망하고 있다.

쿠레이의 설명은 다음과 같다.
"이 최초의 천체들과 연관된 X선 복사도 존재할까요?
이론천체물리학자들은 우주초기시대에 존재하는 별들은 너무나 무거운 질량을 가지고 있어서 아주 빠른 시간내에 붕괴되었을 것이라고 설명하고 있습니다.
이들은 초신성을 거쳐 물질을 우주 공간으로 흩뿌리지 않고 바로 블랙홀로 붕괴되었을 것이라고 추측되고 있습니다.
우리는 이러한 사건과 연계된 X선 복사가 있다면 바로 그 X선 복사를 찾고 싶습니다." 
 
2차 출처 : 허블사이트 2015년 9월 9일 발표 뉴스
              http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/34/

 

원출처 : http://news.uci.edu/press-releases/parsing-photons-in-the-infrared-uci-led-astronomers-uncover-signs-of-earliest-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>

Parsing photons in the infrared, UCI-led astronomers uncover signs of earliest galaxies

Hubble Space Telescope data, new statistical method instrumental to research project

Irvine, Calif., Sept. 7, 2015 – Astronomers from the University of California, Irvine and Baltimore’s Space Telescope Science Institute have generated the most accurate statistical description yet of faint, early galaxies as they existed in the universe 500 million years after the Big Bang.

In a research paper published today in Nature Communications, the team describes its use of a new statistical method to analyze Hubble Space Telescope data captured during lengthy sky surveys. The method enabled the scientists to parse out signals from the noise in Hubble’s deep-sky images, providing the first estimate of the number of small, primordial galaxies in the early universe. The researchers concluded that there are close to 10 times more of these galaxies than were previously detected in deep Hubble surveys.

UCI Ph.D. student Ketron Mitchell-Wynne, lead author on the paper, said the time period under investigation is known as the “epoch of reionization.” Coming after the Big Bang and a few hundred million years in which a dark universe was dominated by photon-absorbing neutral hydrogen, the epoch of reionization was characterized by a phase transition of hydrogen gas due to the accelerated process of star and galaxy formation.

“It’s the furthest back you can study with the Hubble Space Telescope,” Mitchell-Wynne said. Hubble’s cameras utilize charge-coupled devices, high-quality electronic image sensors first used in astronomy that later were employed in professional video cameras. The team looked at data spanning optical and infrared wavelengths. Photons in the infrared spectrum come directly from stars and galaxies.

UCI cosmologist Asantha Cooray, research project lead, pointed to recent probes into extragalactic infrared background light by the California Institute of Technology’s CIBER instrument. “CIBER measured the infrared background at two wavelengths, 1.1 and 1.6 microns,” he said. These measurements led the CIBER group to confirm the existence of “intrahalo light” from stars distributed outside galaxies.

Cooray, professor of physics & astronomy, said: “We believe it’s true that there is intrahalo light, but we made a new discovery by looking at five infrared bands with Hubble. We sort of overlap with CIBER and then go into short optical wavelengths, and we see in addition to intrahalo light a new component – stars and galaxies that formed first in the universe.”

The deep-sky survey was part of a larger Hubble-based research project called the Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey. “CANDELS was not initiated for this cause, but it turns out that the way the data were taken was favorable for what we wanted to do,” Mitchell-Wynne said. “From the CIBER analysis, we knew there would be a detection of intrahalo light in the infrared bands. We didn’t really know what to expect in the optical ones. With Hubble data, we saw a large drop in the amplitude of the signal between the two. With that spectra, we started to get a little more confident that we were seeing the earliest galaxies.”

“For this research, we had to look closely at what we call ‘empty pixels,’ the pixels between galaxies and stars,” Cooray said. “We can separate noise from the faint signal associated with first galaxies by looking at the variations in the intensity from one pixel to another. We pick out a statistical signal that says there is a population of faint objects. We do not see that signal in the optical [wavelengths], only in infrared. This is confirmation that the signal is from early times in the universe.”

He thinks these primordial galaxies were very different from the well-defined spiral and disc-shaped galaxies currently visible in the universe. They were more diffuse and populated by giant stars. Cooray noted that more observational proof for his team’s findings will be possible with the launch of the James Webb Space Telescope in 2018. “These galaxies are very faint,” he said, “so if we have a bigger telescope, like James Webb, we’ll be able to go very deep and see them individually.”

“This is a very exciting finding,” said Henry C. Ferguson, an astronomer at Baltimore’s Space Telescope Science Institute and co-principal investigator for CANDELS. “It’s the first time that we’ve been able to convincingly measure this subtle signature of early galaxies with Hubble, giving us a firmer handle on what to look for when the James Webb Space Telescope launches a few years from now.”

Another area of research Cooray hopes to pursue in the near future is investigating the same part of the sky in other bands, such as X-rays, using NASA’s Chandra X-ray Observatory. “Could there be X-ray emissions associated with this primordial stuff?” he said. “Theoretical astrophysicists have explained that the earliest stars collapsed really quickly because they were so massive. They didn’t go supernovae and disperse material; they’re actually believed to have collapsed into black holes. We would like to see if there are any X-ray emissions associated with such events.”

About the University of California, Irvine: Currently celebrating its 50^th anniversary, UCI is the youngest member of the prestigious Association of American Universities. The campus has produced three Nobel laureates and is known for its academic achievement, premier research, innovation and anteater mascot. Led by Chancellor Howard Gillman, UCI has more than 30,000 students and offers 192 degree programs. It’s located in one of the world’s safest and most economically vibrant communities and is Orange County’s second-largest employer, contributing $4.8 billion annually to the local economy. For more on UCI, visit www.uci.edu.

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