허블 프론티어 필드(The Hubble Frontier Fields) : 빅뱅의 지평을 엿보다

 

Credit:NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

사진 1>

이 사진은 허블우주망원경이 담아낸 MACS J0416.1-2403 은하단의 모습이다.

이 은하단은 허블 프론티어 필드 프로그램이 관측 대상으로 하고 있는, 깊은 우주를 바라볼 수 있는 중력 렌즈 작용을 하고 있는 6개 은하단 중 하나이다.

은하단의 거대한 중력이 훨씬 멀리서 오는 빛을 구부러뜨리면서 마치 돋보기처럼 작용한다.

천문학자들은 이 은하단과 다른 두 개의 은하단이 만들어내는 중력렌즈 작용을 이용하여 빅뱅 이후 6억년에서 9억년 사이에 존재하던 은하들을 찾아냈다.

 

 

천문학자들이 허블우주망원경과 중력렌즈의 도움을 받아 우주에서 가장 희미하고 가장 멀리 떨어져 있는 상당 수의 은하들을 탐사하였다.
이 은하 중 몇몇은 빅뱅 후 6억 년이 지난 시점에 생성된 은하이며 허블우주망원경을 이용하여 발견된 은하 중 가장 희미한 축에 속하는  은하이다.
연구팀은 이 은하들이 오늘날 우리 눈에 보이는 은하를 만들어낸 필수요소가 된 작은 은하일 것으로 확정하였다.

 

스위스 로잔 연방공과대학(the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 하킴 아텍(Hakim Atek)이 이끄는 국제 연구팀이 빅뱅 후 6억년에서 9억 년 상관에 존재하는 250개 이상의 작은 은하를 발견하였다. [1]

이는 지금까지 발견된 난쟁이은하의 예로는 가장 거대한 규모를 자랑하는 숫자이다.
120억 년의 시공간을 가로질러 우리에게 도달한 이 은하의 빛은 천문학자들로 하여금 갓 태어난 우주를 바라볼 수 있게 해준다.

이처럼 상당 수의 초기 은하들이 발견되었음에도 불구하고 리용 천문대의 요한 리처드(Johan Richard)의 말마따나 이것만이 팀의 인상적인 성과는 아니다.

이번에 발견된 은하들은 허블우주망원경을 이용하여 지금까지 수행된 머나먼 거리의 은하 중 가장 희미한 은하에 속한다.
 
이 은하들로부터 도달한 빛을 이용하여 연구팀은 이 은하들로부터 복사되어 누적된 빛이 초기 우주에서 수수께끼의 기간으로 남아 있는 재이온화 시기에 중요한 역할을 수행했을 수도 있음을 발견하였다.

 

재이온화는 초기 우주를 휘감고 있던 두꺼운 수소 가스의 안개가 걷히기 시작한 때를 말한다.

오늘날 자외선은 아무런 거리낌없이 머나먼 거리를 이동할 수 있는데 이는 우주가 자외선에 대해 투명해졌기 때문이다.[2]

이번 연구에서 발견된 은하로부터 발생하는 자외선을 관측함으로써 천문학자들은 이 은하들이 재이온화 와중에 참여한 은하들인지 여부를 측정할 수 있었다.

그리고 어느 정도의 확신 하에 연구팀은 이번 연구에서 발견된 가장 많은 수의, 가장 작은 크기의 은하들이 우주를 투명하게 유지하는데 주요역할을 수행할 수 있었다고 확정하였다.

 

이를 통해 과학자들은 우주가 완전히 투명해진 시점을 확정함으로써 재이온화 시기를 한정할 수 있었는데 이는 빅뱅으로부터 약 7억년이 지난 시점이라고 한다.[3]

이번 논문의 수석 저자인 아텍의 설명은 다음과 같다.
 "재이온화에 밝고 무거운 은하들만을 고려한다면 이것만으로는 우주가 재이온화되는데 충분하지 않다는 점을 우리는 알고 있습니다.
  따라서 우리는 재이온화에 좀더 깊숙이 관여한 수많은 희미한 난쟁이 은하들이 필요했습니다."
 
연구팀은 이번 발견을 이끌어내는데 허블 프론티어 필드 프로그램[4]의 일환으로 3개 은하단이 만들어낸 가장 머나먼 우주의 중력 렌즈 촬영 자료를 활용하였다.

이 은하단들은 거대한 중력장을 만들어 훨씬 멀리 떨어진 희미한 은하로부터 오는 빛을 확대시키고 있다.

이러한 과정으로 인해 우주의 첫 세대에 해당하는 은하들을 탐사하고 연구할 수 있었던 것이다.

 

이번 논문의 공동 저자인 스위스 로잔 연방공과대학의 얀-폴  크나이프(Jean-Paul Kneib)의 설명은 다음과 같다.
"프론티어 필드에 선정된 은하단은 강력한 자연 돋보기로 작용하며 중력렌즈가 아니라면 결코 볼 수 없었을 희미한 난쟁이 은하들을 찾아낼 수 있게 해주었습니다."
 

논문의 공동 저자인 영국 더렘 대학교와 남아공 콰줄루 국립대학의 마틸드 자우젝( Mathilde Jauzac)은 이번 발견에 있어 허블이 차지한 중요한 역할을 강조했다.
"허블우주망원경은 머나먼 은하를 탐사해내는 능력에 있어 타의 추종을 불허합니다. 허블 프론티어 필드가 갖고 있는 데이터의 깊이는 은하단이 만들어내는 중력렌즈 작용을 매우 정확하게 이해하도록 보증해주며 이를 기반으로, 이번에 이룩한 것과 같은 발견을 가능하게 만들어주고 있습니다."
 
이번 연구 결과는 프론티어 필드 프로그램이 훨씬 더 많은, 훨씬 더 이른 시기의 은하들을 찾을 수 있을 것이라는 인상적인 가능성에 방점을 두고 있다.
가까운 시일내에 대상 은하단들을 더 많이 관측함으로써 그 가능성 여부가 드러나게 될 것이다. 

 

 

 

Credit:NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

사진 2>

이 사진은 허블우주망원경이 담아낸 MACSJ0717.5+3745 은하단의 모습이다.

이 은하단 역시 허블 프론티어 필드 프로그램에서 관측 대상으로 선정된 은하단이다.

이 은하단은 알려진 은하단으로서는 가장 무거운 질량을 가진 은하단이며 따라서 만들어내는 중력렌즈 현상 역시 가장 강력하다.

지금까지 측정된 모든 은하단 중에서 MACS J0717 중력 렌즈가 하늘에서 가장 거대한 지역을 담고 있다.

 

 

Credit:NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

사진 3> 판도라 은하단이라는 별칭을 가진 Abell 2744는 허블 프론티어 필드 프로그램의 관측 대상 중 첫번째 은하단이다.
이 은하단 역시 중력렌즈 작용을 통해 가장 깊은 우주의 사진들을 만들어내고 있다.
이 은하단은 매우 파괴적인 역사를 가지고 있을 것으로 추측되며 여러 개의 은하단이 쌓여 만들어진 것으로 생각되고 있다.

 

 

 

각주

[1] 이 은하들의 적색편이(z) 값은 6에서 8 사이이다.

 

[2] 중성 수소 가스는 갓태어난 뜨거운 별로부터 쏟아져나오는 모든 고에너지 자외선 복사를 효과적으로 흡수한다. 
그와 동시에 흡수된 자외선은 수소를 이온화시킨다. 
대단히 낮은 밀도의 이온화 가스가 우주를 가득 채우면서 우주가 완전히 투명해졌다. 
뜨거운 별들이 가스 속에서 투명한 거품들을 깎아내고 이 모든 거품들이 합쳐져 우주를 가득 채웠을 때 우주는 자외선에 대해 완전히 투명해지며 재이온화가 완성된 것이라고 이야기된다.

 

[3] 이는 적색편이(z) 7.5에 해당한다.
    
[4] 허블 프론티어 필드 프로그램은 3년에 걸쳐 840번의 공전 횟수동안 진행되는 프로그램으로써 가장 깊은 우주의 모습을 촬영하는데 목적을 두고 있다. 
이 프로그램은 6개의 거대 은하단 주위에 나타나는 중력렌즈 현상을 이용하며 이전에는 결코 볼 수 없었던 훨씬 더 머나먼 우주를 탐사하게 된다.
    
    

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 10월 22일 발표 뉴스
          http://www.spacetelescope.org/news/heic1523/         
        

참고 : 허블 프론티어 필드 프로그램에 대한 또다른 포스팅은 하기 링크를 통해 조회할 수 있습니다.  
           https://big-crunch.tistory.com/12347024
           https://big-crunch.tistory.com/12346870

참고 : MACS J0416.1-2403, MACSJ0717.5+3745, Abell 2744 를 비롯한 각종 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

  

 

원문>

heic1523 — Science Release

Hubble spies Big Bang frontiers

22 October 2015

Observations by the NASA/ESA Hubble Space Telescope have taken advantage of gravitational lensing to reveal the largest sample of the faintest and earliest known galaxies in the Universe. Some of these galaxies formed just 600 million years after the Big Bang and are fainter than any other galaxy yet uncovered by Hubble. The team has determined, for the first time with some confidence, that these small galaxies were vital to creating the Universe that we see today.

An international team of astronomers, led by Hakim Atek of the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland, has discovered over 250 tiny galaxies that existed only 600-900 million years after the Big Bang [1] — one of the largest samples of dwarf galaxies yet to be discovered at these epochs. The light from these galaxies took over 12 billion years to reach the telescope, allowing the astronomers to look back in time when the universe was still very young.

Although impressive, the number of galaxies found at this early epoch is not the team’s only remarkable breakthrough, as Johan Richard from the Observatoire de Lyon, France, points out, “The faintest galaxies detected in these Hubble observations are fainter than any other yet uncovered in the deepest Hubble observations.”

By looking at the light coming from the galaxies the team discovered that the accumulated light emitted by these galaxies could have played a major role in one of the most mysterious periods of the Universe’s early history — the epoch of reionisation. Reionisation started when the thick fog of hydrogen gas that cloaked the early Universe began to clear. Ultraviolet light was now able to travel over larger distances without being blocked and the Universe became transparent to ultraviolet light [2].

By observing the ultraviolet light from the galaxies found in this study the astronomers were able to calculate whether these were in fact some of the galaxies involved in the process. The team determined, for the first time with some confidence, that the smallest and most abundant of the galaxies in the study could be the major actors in keeping the Universe transparent. By doing so, they have established that the epoch of reionisation — which ends at the point when the Universe is fully transparent — came to a close about 700 million years after the Big Bang [3].

Lead author Atek explained, “If we took into account only the contributions from bright and massive galaxies, we found that these were insufficient to reionise the Universe. We also needed to add in the contribution of a more abundant population of faint dwarf galaxies.”

To make these discoveries, the team utilised the deepest images of gravitational lensing made so far in three galaxy clusters, which were taken as part of the Hubble Frontier Fields programme [4]. These clusters generate immense gravitational fields capable of magnifying the light from the faint galaxies that lie far behind the clusters themselves. This makes it possible to search for, and study, the first generation of galaxies in the Universe.

Jean-Paul Kneib, co-author of the study from the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland, explains, “Clusters in the Frontier Fields act as powerful natural telescopes and unveil these faint dwarf galaxies that would otherwise be invisible.”

Co-author of the study Mathilde Jauzac, from Durham University, UK, and the University of KwaZulu-Natal, South Africa, remarks on the significance of the discovery and Hubble’s role in it,“Hubble remains unrivalled in its ability to observe the most distant galaxies. The sheer depth of the Hubble Frontier Field data guarantees a very precise understanding of the cluster magnification effect, allowing us to make discoveries like these.”

These results highlight the impressive possibilities of the Frontier Fields programme with more galaxies, at even earlier time, likely to be revealed when Hubble peers at three more of these galaxy clusters in the near future.

Notes

[1] The calculated redshift for these objects is between z = 6 and z = 8.

[2] Neutral hydrogen gas absorbs all the high-energy ultraviolet light emitted by hot young stars very efficiently. At the same time, the absorbed ultraviolet light ionises the hydrogen. The very low density ionised hydrogen gas filling the universe became fully transparent.The hot stars carve out transparent bubbles in the gas and once all these bubbles merge to fill all of space, reionisation is said to be complete and the Universe becomes transparent to ultraviolet light.

[3] This corresponds to a redshift of about z = 7.5.

[4] The Hubble Frontier Fields is a three-year, 840-orbit programme which will yield the deepest views of the Universe to date, combining the power of Hubble with the gravitational amplification of light around six different galaxy clusters to explore more distant regions of space than could otherwise be seen.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

More information

Image credit: NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

This research was presented in a paper entitled “Are Ultra-faint Galaxies at z = 6−8 Responsible for Cosmic Reionization? Combined Constraints from the Hubble Frontier Fields Clusters And Parallels”, by H. Atek et al., to appear in the Astrophysical Journal.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The international team of astronomers in this study consists of Hakim Atek (Laboratoire d’Astrophysique, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland ; Department of Astronomy, Yale University, USA), Johan Richard (CRAL, Observatoire de Lyon, France), Mathilde Jauzac (Institute for Computational Cosmology, Durham University, UK; Astrophysics and Cosmology Research Unit, University of KwaZulu-Natal, South Africa), Jean-Paul Kneib (Laboratoire d’Astrophysique, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland; Aix Marseille Université, CNRS, LAM UMR 7326, France), Priyamvada Natarajan (Department of Astronomy, Yale University, USA), Marceau Limousin (Aix Marseille Université, CNRS, LAM UMR 7326, France), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Switzerland; CNRS, IRAP, France), Eric Jullo (Aix Marseille Université, CNRS, LAM UMR 7326, France), Harald Ebeling (Institute for Astronomy, University of Hawaii, USA), Eiichi Egami (Steward Observatory, University of Arizona, USA), and Benjamin Clement (CRAL, Observatoire de Lyon, France).

Links

• Images of Hubble
• Frontier Fields programme
• Link to science paper
• Hubblecast 70: Peering around cosmic corners

Contacts

Hakim Atek
Laboratoire d’Astrophysique, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland
Astronomy Departement, Yale University, USA
Tel: +1 203 645 82 23
Email: hakim.atek@epfl.ch

Johan Richard
Centre de Recherche Astrophysique de Lyon
Observatoire de Lyon, Université Lyon 1, France
Cell: +33 4 78 86 83 7
Email: johan.richard@univ-lyon1.fr

Mathilde Jauzac
Durham University, UK
University of KwaZulu-Natal, South Africa
Tel: +44 7445218614
Email: mathilde.jauzac@durham.ac.uk

Jean-Paul Kneib
Laboratoire d’Astrophysique, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland
Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France
Tel: +41 22 3792473, +41 21 693 04 63, +33 695 795 392
Email: jean-paul.kneib@epfl.ch

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Cell: +49 176 62397500
Email: mjaeger@partner.eso.org