난쟁이은하 WLM은 어떻게 폭발적으로 별들을 생성해 내는 은하가 될 수 있었을까?

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); M. Rubio et al., Universidad de Chile, ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); D. Hunter and A. Schruba, VLA (NRAO/AUI/NSF); P. Massey/Lowell Observatory and K. Olsen (NOAO/AURA/NSF)

사진1> ALMA를 이용한 관측을 통해 불규칙 난쟁이은하 WLM의 내부에 고밀도로 뭉쳐있는 성간 구름을 발견해냈다.

이 구름은 별무리들을 만들어내는데 필요한 환경을 제공해주고 있다.

가시광선에서 그 모습을 드러내고 있는 은하의 모습은 블랑코 4미터 망원경으로 촬영된 것이다.
상단 왼쪽 네모 상자에 붉은 색으로 보이는 수소가스는 NRAO의 VLA 망원경이 촬영한 것으로 이 가스는 일산화탄소 분자(노란색)의 집중에 필요한 압력을 제공해 주고 있다.
일산화탄소 분자의 모습은 ALMA로 촬영된 것이다.
이 지역은 미리내나 또 다른 거대 은하에서 발견되는 고밀도로 먼지가 뭉쳐있어 별무리를 만들어낼 수 있는 지역에 상응되는 지역이다.

 

지근거리에 위치하는 난쟁이은하 하나가 흥미로운 수수께끼를 던져주고 있다.
어떻게 이 작은 은하가 규모가 큰 은하들에서 발견되는 것과 같은 먼지와 가스가 가득한 환경이 아님에도 별들을 왕성하게 만들어내고 있는 것일까?

 

천문학자들이  생각하는 그 답은 고밀도로 뭉쳐져 있는, 이전에는 관측하지 못했던 별 생성의 재료 덩어리들이 은하 전역에 걸쳐 퍼져 있다는 것이다.

천문학자들로 구성된 국제연구팀이[1] 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용하여 불규칙 난쟁이은하[2] 에 숨겨져 있는 고밀도의 성간 구름을 발견하였다.
이 불규칙 난쟁이은하의 이름은 볼프-룬드마크-멜로테(Wolf-Lundmark-Melotte)으로서 일반적으로 WLM이라고 알려져 있다.
 
무거운 성간 물질들의 담요에 담겨 있는 이 구름은 미리내에 비해 수천배나 작고 훨씬 더 물질들이 성기게 엉켜있는 이 은하의 빈약한 환경에서 어떻게 이처럼 고밀도의 별무리[3]들이 생겨났는지를 설명할 수 있도록 해준다.
 
칠레 대학의 천문학자이자 네이처에 개재된 논문의 주저자인 모니카 루비오( Monica Rubio)의 설명은 다음과 같다.
"여러가지 이유로 WLM과 같은 불규칙난쟁이은하들은 별무리를 그다지 많이 가지고 있지는 않습니다.
이 은하들이 매우 낮은 밀도의 별무리를 가지고 있죠.
이 은하들은 또한 새로운 별을 만드는데 소요되는 무거운 원소들도 얼마 가지고 있지 않죠.
결국 이러한 은하들은 별들이 뭉쳐있는 별무리보다는 그저 넓게 퍼진 별들만을 가지고 있는 것이 일반적입니다.
그럼에도 이 은하는 명백하게 이와는 다른 모습을 보여주고 있습니다."
 
이 은하를 ALMA를 이용하여 연구한 결과 천문학자들은 사상 처음으로 고밀도 지역을 특정할 수 있었다.
이 고밀도 지역은 보다 대규모의 은하들에서 발견되는 새로운 별 생성 구역과 맞먹는 밀도를 자랑하고 있었다.

 

이 지역은 일산화탄소 분자로부터 복사되는 매우 미세하면서 특정 영역에 집중되어 있는 밀리미터 파장을 추적함으로써 발견되었다.
일산화탄소 분자의 복사는 일반적으로 성간 구름에서의 별 생성과 연관되어있다.
 
일찌기 로웰 천문대의 디드레 헌터(Deidre Hunter)가 이끄는 천문연구팀이 하나의 접시안테나를 가진 APEX(Atacama Pathfinder Experiment)를 이용하여 WLM 은하에서 일산화탄소를 처음으로 감지해낸 바 있다.[4]

 

낮은 해상도로 진행된 이 초기 관측으로는 이곳에 위치하는 분자들을 구분해낼 수 없었지만, 연구팀은 WLM이 지금까지 관측된 그 어느 은하보다도 가장 낮은 일산화탄소 함량을 가지고 있다는 것을 알게 되었다.

 

천문학자들은 이러한 일산화탄소 및 다른 무거운 원소들의 결핍 양상이 별의 생성을 심각하게 저하시키는다는 것에 주목했다.

루비오의 설명은 다음과 같다.
"분자들 중에서 특히 일산화탄소는 별 생성에 있어 매우 중요한 역할을 수행합니다.
가스 구름이 붕괴하기 시작할 때, 온도와 밀도는 치솟게 되고 이것이 중력에 맞선 척력을 만들어내죠.
붕괴를 통해 열기의 일부가 흡수됨으로써 해체지경에 이른 분자들과 먼지 입자들은 적외선과 서브밀리미터 파장에서 복사를 방출하며 우주 공간으로 밀쳐집니다."
 
이처럼 열을 빼앗기게 되는 효과는 중력에 의해 새로운 별이 생성될때까지 붕괴를 지속하게 만든다.

WLM이나 이와 유사하게 무거운 원소들을 얼마 가지고 있지 않은 은하들에서 도출된 문제점은, 관측을 통해 발견된 새로운 별무리들과 여기에 대응되는 충분히 많은 물질들을 천문학자들이 간과했다는 데에 있었다.
 
일산화탄소가 처음에 그처럼 관측하기 어려웠던 이유는 일반적인 은하와는 달리 WLM의 구름들이 분자와 원자가스가 첩첩이 쌓여있는 덩어리에 비해 매우 작았기 때문이다.

 

별을 지속적으로 만들어내기 위해서 집중되어 있는 일산화탄소 구름은 자신을 압박해 들어오는 거대한 전이가스뭉치를 필요로 한다.
이를 통해 일산화탄소 중심부가 충분히 고밀도를 확보하게 되면 일반적인 별무리가 형성될 수 있게 되는 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 IBM T.J. 완ㅅ슨 연구센터의 과학자 브루스 엘메그린( Bruce Elmegreen)의 설명은 다음과 같다.
"잠수사가 깊은 바다에서 압력을 느끼는 것과 같이 별생성의 재료가 되는 가스뭉치들은 주위를 둘러싸고 있는 성간 가스들이 훨씬 희박하게 존재한다 하더라도 거대한 압력을 받게 됩니다.
광활하게 퍼져있는 전이가스 내의 특정 영역에 한정적으로 집중되어 있는 일산화탄소를 발견함으로써 우리가 목격하고 있는 인상적인 별들의 생성에 대한 역학을 이해할 수 있게 되었습니다. " 
 
ALMA를 이용한 추가 연구를 통해 미리내의 헤일로 내에서 발견되는 구상성단의 형성조건을 결정하는데도 도움을 받을 수 있게 될 것이다.

천문학자들은 훨씬 큰 규모를 자랑하는 이들 별무리들이 원래는 난쟁이은하 내에서 형성되었다가 이 난쟁이은하들이 미리내의 헤일로 속으로 흡수되어 사라지면서 남겨진 것으로 생각하고 있다.

WLM은 미리내 은하군의 외곽 쪽으로 3백만 광년 거리에 홀로 위치하고 있는 난쟁이 은하이다.
미리내 은하군에는 미리내와 대마젤란 은하 및 소마젤란 은하, 안드로메다 은하, M33, 그리고 10여 개의 소규모 은하들이 포함되어 있다.

 

Credit: C. Padilla (NRAO/AUI/NSF)

 

사진 2> ALMA의 망원경들이 늘어선 모습

ALMA의 탁월한 해상도와 감도는 우주 공간의 분자들로부터 방출되는 희미한 밀리미터 파장을 감지하고 촬영해 낼 수 있다.

 

각주

 

[1] 이번 연구에 함께 참여한 연구진은 다음과 같다.
칠레 대학의 모니카 루비오(Monica Rubio). IBM T.J. 왓슨 연구센터의 브루스 G. 엘메그린(Bruce G. Elmegreen). 로웰 천문대의 디드레 A. 헌터(Deidre A. Hunter), 하트퍼드셔대학교의 엘리아스 브링크스(Elias Brinks). ALMA 천문대와 국립전파천문대의 후안 R. 코르테스(Juan R. Cortes). 뉴멕시코 광산공과대학교의 필 시건(Phil Cigan).
   
[2] 불규칙은하란 나선형이나 타원형의 형태를 갖추지 못하고 있는 은하를 말한다.

WLM과 같은 난쟁이불규칙은하들은 거대한 은하들에 비해 수백 배나 작은 규모를 가지고 있으며 보유하고 있는 별도 거대 은하들이 수백억 개 수준의 별들을 보유하고 있음에 반해 수억 개 수준의 별들만을 가지고 있다. 
이처럼 작은 크기에도 불구하고 오늘날 이 은하들 중 일부는 그 중심에 거대 질량의 블랙홀을 품고 있는 것으로 알려져 있다.

 

[3] 미리내의 플레이아데스와 같은 별무리들은 수백 개의 별들로 구성된다.
한편 구상성단은 수십만 개에서 수백만 개의 별들을 거느리고 있을 수도 있다. 
비록 미리내의 수많은 별들이 이러한 별무리 내에서 형성되었지만 우리 태양과 같은 일부 별들은 자신이 탄생한 별들의 육아실에서 떨어져나와 은하 전역을 자유롭게 돌아다니기도 한다. 
WLM에서 관측된 것과 같은 거대한 규모와 고밀도의 별무리에 존재하는 별들은 상대적으로 서로 가깝게 바짝 붙어있다.

 

[4] APEX 연구팀은 로웰 천문대의 디드레 헌터(Deidre Hunter)와 하트퍼드셔대학교 엘리아스 브링크스(Elias Brinks)가 이끌었던 연구팀이었다.
모니카 루비오(Monica Rubio)와 브루스 엘메그린(Bruce Elmegreen)은 모두 이 연구팀에 소속되어 있었다.
이 외에도 캘리포니아 기술 연구소의 안드레아스 스크루바(Andreas Schruba), 칠레 대학의 셀리아 베르두고(Celia Verdugo)가 소속되어 있었다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 9월 9일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/wlm-star-cluster

참고 : WLM을 비롯한 각종 은하에 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

 

 

원문>

Embargoed for release: 1 p.m. EDT, Sept. 9, 2015

Astronomers Discover How Lowly Dwarf Galaxy Becomes Star-Forming Powerhouse

A nearby dwarf galaxy poses an intriguing mystery: How is it able to form brilliant star clusters without the dusty, gas-rich environments found in larger galaxies? The answer, astronomers believe, lies in densely packed and previously unrecognized nuggets of star-forming material sprinkled throughout the galaxy.

An international team of astronomers [1] using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has discovered an unexpected population of compact interstellar clouds hidden within the nearby dwarf irregular galaxy [2] Wolf—Lundmark—Melotte, more commonly known as WLM.

These clouds, which are nestled within a heavy blanket of interstellar material, help explain how dense star clusters [3] are able to form in the tenuous environs of a galaxy thousands of times smaller and far more diffuse than our own Milky Way.

"For many reasons, dwarf irregular galaxies like WLM are poorly equipped to form star clusters," noted Monica Rubio, an astronomer with the University of Chile and lead author on a paper to appear in the scientific journal Nature. "These galaxies are fluffy with very low densities. They also lack the heavy elements that contribute to star formation. Such galaxies should only form dispersed stars rather than concentrated clusters, but that is clearly not the case."

By studying this galaxy with ALMA, the astronomers were able to locate, for the first time, compact regions that appear able to emulate the nurturing environments found in larger galaxies.

These regions were discovered by pinpointing the almost imperceptible and highly localized millimeter wavelength light emitted by carbon monoxide (CO) molecules, which are typically associated with star-forming interstellar clouds.

Earlier, an affiliated team of astronomers led by Deidre Hunter at the Lowell Observatory in Flagstaff, Ariz., first detected CO in the WLM galaxy with the single-dish Atacama Pathfinder Experiment (APEX) telescope [4]. These initial, low-resolution observations could not resolve where the molecules reside, but they did confirm that WLM contains the lowest abundance of CO ever detected in any galaxy. This lack of CO and other heavy elements should put a serious damper on star formation, the astronomers note.

"Molecules, and carbon monoxide in particular, play an important role in star formation," said Rubio. "As gas clouds begin to collapse, temperatures and densities rise, pushing back against gravity. That's where these molecules and dust particles come to the rescue by absorbing some of the heat through collisions and radiating it into space at infrared and submillimeter wavelengths." This cooling effect enables gravity to continue the collapse until a star forms.

The problem previously was that in WLM and similar galaxies with very low abundances of heavy elements, astronomers simply didn't see enough of this material to account for the new star clusters they observed.

The reason the CO was initially so difficult to see, the researchers discovered, is that unlike in normal galaxies, the WLM clouds are very tiny compared to their overlying envelopes of molecular and atomic gas.

To become viable star factories, the concentrated CO clouds need these enormous envelopes of transitional gas to bear down on them, giving the cores of CO a high enough density to allow them to form a normal cluster of stars.

"Like a diver being squeezed at the bottom of a deep abyss, these bundles of star-forming gas are under tremendous pressure, even though the surrounding ocean of interstellar gas is much more shallow," said Bruce Elmegreen, a co-author on the paper and researcher at the IBM T.J. Watson Research Center in Yorktown Heights, N.Y. "By discovering that the carbon monoxide is confined to highly concentrated regions within a vast expanse of transitional gas, we could finally understand the mechanisms that led to the impressive stellar neighborhoods we see in the galaxy today."

Further studies with ALMA will also help determine the conditions that formed the globular clusters found in the halo of the Milky Way. Astronomers believe these much larger clusters may have originally formed in dwarf galaxies and later migrated to the halo after their host dwarf galaxies dispersed.

WLM is a relatively isolated dwarf galaxy located approximately 3 million light-years away on the outer edges of the Local Group: the collection of galaxies that includes the Milky Way, the Magellanic Clouds, Andromeda, M33, and dozens of smaller galaxies.

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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[1] Collaborators in the present study include Monica Rubio, Universidad de Chile, Santiago; Bruce G. Elmegreen, IBM T.J. Watson Research Center, Yorktown Heights, N.Y.; Deidre A. Hunter, Lowell Observatory, Flagstaff, Ariz; Elias Brinks, University of Hertfordshire, UK; Juan R. Cortes, Joint ALMA Observatory and National Radio Astronomy Observatory, Santiago, Chile; and Phil Cigan, New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro.

[2] Irregular galaxies lack the distinctive shapes of spiral and elliptical galaxies. Dwarf irregulars, like WLM, are hundreds of times smaller than the larger variety and contain only a few hundred million stars instead of tens of billions. Though small, some are now known to harbor massive black holes at their centers.

[3] Star clusters, like the Pleiades found in our own Milky Way galaxy, are made up of hundreds of stars. Others, like globular clusters, can contain hundreds of thousands to a few million stars. Though many stars in the Milky Way originally form in clusters, some – like the Sun – drift away from their stellar nurseries and move freely throughout their home galaxy. Stars in the largest and densest clusters, like those observed in WLM, remain relatively close together.

[4] The APEX team was led by Deidre Hunter at the Lowell Observatory in Flagstaff, Ariz., and Elias Brinks at the University of Hertfordshire, U.K. It also included Monica Rubio; Bruce Elmegreen; Andreas Schruba, California Institute of Technology, Pasadena, Calif.; and Celia Verdugo, University of Chile.


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