미리내 형성 초기에 대해 알려줄 수많은 백색 난쟁이별을 발견하다.

 

Credit for Hubble Images: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science Team,  Credit for Ground-based Image: A. Fujii

 

사진 1> NASA의 허블우주망원경이 미리내의 중심부에 파묻혀 있는 백색 난쟁이별 무리를 처음으로 탐지해냈다.

이번 허블 관측자료들은 미리내 중심 팽대부의 별들에 대해서 가장 깊이, 가장 상세하게 연구된 경우이다.

한때 왕성한 삶을 살았을 이 별들의 잔해를 통해 태양과 지구가 형성되기도 훨씬 오래전에 있었던 미리내의 초기 구축 단계에 대한 단서를 도출할 수 있을 것이다.

[왼쪽사진] 이 사진은 궁수자리 방향으로 보이는 지상에서 관측한 미리내의 중심 팽대부이다.
거대한 먼지 구름들이 미리내 중심으로부터 오는 별빛의 대부분을 막아서고 있다.

그러나 허블우주망원경은 미리내의 중심부를 바라볼 수 있도록 열쇠구멍을 제공해주고 있는 이른바 "궁수자리 창문"이라 불리는 지역(화살표)을 통해 미리내의 중심을 엿볼 수 있었다.

[상단 우측]- 이 사진은 미리내 팽대부에 고밀도로 몰려있는 별들 중 허블이 바라본 작은 부분을 보여주고 있다.

이 지역은  SWEEPS 필드 (식현상을 일으키는 궁수자리의 외계행성 탐사 대상 지역, the Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search Field)의 일부지역으로서 지구로부터 2만 6천광년 거리에 위치하고 있다.

[하단 우측]- 허블우주망원경이 극단적으로 희미하고 뜨거운 백색 난쟁이별들을 발견해냈다.

이 사진은 미리내 팽대부에서 허블우주망원경이 잡아낸 70개의 가장 밝은 백색 난쟁이별 중 4개를 보여주고 있다.

천문학자들은 각 별들의 희미한 정도와 청백색 색깔, 그리고 태양에 대한 상대적인 움직을 근거로 이들을 선별해 낼 수 있었다.

각 백색 난쟁이별에 있는 번호는 그 위 허블우주망원경이 바라본 지역에서 해당 별이 발견된 위치의 번호와 대응된다.

허블우주망원경은 ACS를 이용하여 2004년 및 2011년부터 2013년까지 관측을 수행하였다.

 

허블 우주망원경을 필두로 미리내의 중심부에 대한 "우주의 고고학적 발굴"이 이루어지면서 천문학자들이 미리내의 초기 구조가 형성되던 당시에 대한 청사진을 복원해냈다. 
 
별들이 몰려 있는 미리내의 중심지역을 들여다보면서 허블 과학자들은 한때는 왕성한 활동을 보였을 별의 중심 핵이 남아 형성된, 고대 백색 난쟁이별들의 무리를 사상 처음으로 발견해냈다.
이번 발견을 통해 최소한 지구와 태양이 형성되기도 한참 전에 미리내가 어떻게 형성되었는지에 대한 단서를 도출할 수 있을 것으로 보인다.

 

이번 관측은 별들로 이루어진 팬케이크 모양의 원반과 그 한가운데에 자리잡고 있는 방대한 팽대부라는 미리내의 기초 골격에 대해 가장 깊고, 가장 상세하게 이루어진 연구이다.

 

고대 화석으로서의 백색 난쟁이별은 과거의 역사를 담고 있다.
이 별들은 자신들을 만들어낸 120억년 전 당시 존재했던 별들에 대한 정보를 담고 있다.

 

한때 찬란한 빛을 쏟아내던 별들이 식어가면서 불꺼진 숯과 같은 존재로서 남은 이 별들은 수십억년의 시간을 담은 조각들로서 천문학자들에게 미리내가 성장해온 나날들에 대해 이야기해주고 있다.

 

허블데이터의 분석 결과는 20억년도 채 안되는 시간동안 별들이 빠르게 탄생하면서 미리내의 팽대부가 우선 먼저 생성되었다는 추정을 지지하고 있다.
은하를 휘감고 있는 나머지 원반 부분은 그 다음으로 생성되었으며 3세대 별들은 변두리에서 훨씬 천천히 성장하였고 마치 거대한 솜브레로 모자의 테두리마냥 중심 팽대부 주변을 휘감게 되었다.

 

이번에 발표된 논문의 주저자인 우주망원경과학연구소의 안나리사 카라미다(Annalisa Calamida)의 설명은 다음과 같다.
"미리내의 팽대부만이 우리가 상세하게 연구할 수 있는 유일한 은하의 팽대부이기 때문에 미리내의 팽대부를 관측하는 것은 매우 중요합니다.   
물론 멀리 떨어진 은하의 팽대부도 볼 수는 있습니다만 여기서 백색 난쟁이별처럼 매우 희미한 별들을 구분해 내는 것은 불가능하죠.
미리내의 팽대부에는 전체 미리내가 가지고 있는 별질량의 거의 4분의 1에 육박하는 만큼의 물질들이 모여 있습니다. 
이 팽대부에 존재하는 별의 속성을 밝혀냄으로써 전체 미리내의 형성을 이해하는데 중요한 정보를 도출해 낼 수 있으며 미리내와 유사한 머나먼 은하에 대해서도 중요한 정보를 도출해 낼 수 있게 됩니다." 
 
허블관측을 통해 또한 미리내 원반에 존재하는 별들과 비교해서 약간은 질량이 낮은 별들이 팽대부에 존재하는 것을 알 수 있었다.

칼라미다의 설명은 다음과 같다.
"이러한 결과는 팽대부의 환경이 원반 쪽 한경과는 달랐다는 것을 말해주는 것일수도 있습니다.
그 결과 별을 생성하는 메커니즘 자체도 달랐던 것이죠."

 

이번 관측은 대단히 고감도를 이용하여 이루어져서 천문학자들은 관측 데이터에서 대단히 미약한 백색 난쟁이별의 불꽃도 잡아낼 수 있었다.
이러한 결과를 기반으로 연구팀은 수만 개의 별들이 몰려있는 팽대부의 대단히 한정된 지역에서 허블우주망원경에 의해 탐지된 가장 뜨거운 백색 난쟁이 별 70개를 분석할 수 있었다.

 

Credit: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science Team

 

사진 2> [왼쪽] - 이 사진은 미리내 팽대부에 고밀도로 몰려있는 별들 중 허블이 바라본 작은 부분을 보여주고 있다. 
이 지역은  SWEEPS 필드의 일부지역으로서 지구로부터 2만 6천광년 거리에 위치하고 있다.         
[오른쪽] - 허블이 발견한 극단적으로 희미하고 뜨거운 백색 난쟁이별들의 모습이다.         

이 사진은 미리내 팽대부에서 허블우주망원경이 잡아낸 70개의 가장 밝은 백색 난쟁이별 중 16개를 보여주고 있다.

천문학자들은 각 별들의 희미한 정도와 청백색 색깔, 그리고 태양에 대한 상대움직을 근거로 이들을 뽑아낼 수 있었다.

각 백색 난쟁이별에 있는 번호는 그 위 허블우주망원경이 바라본 지역에서 해당 별이 발견된 위치의 번호와 대응된다.

 

이 별의 화석들은 매우 작고 극단적인 밀도를 가지고 있다.
이들의 크기는 대략 지구 정도만 하지만 그 밀도는 지구보다 20만배나 더 크다.
만약 백색 난쟁이별의 물질 한 티스푼 정도를 떠낸다면 그 무게는 15톤에 육박할 것이다.

 

이들은 매우 작은 크기로 인해서 매우 희미하게 보이는데 이는 달에 있는 손전등의 빛을 지구에서 찾아보는 것만큼이나 어려운 일이다. 
 
천문학자들은 허블의 고해상도 사진들을 통해 오랜시간동안 그 고유운동을 파악하여 앞쪽으로 보이는 미리내 원반상의 수많은 별들로부터 팽대부 상에 있는 별들을 구분해냈다.

연구팀은 10년이라는 시간 간격을 두고 촬영된 동일 지역을 담고 있는 사진에서 24만 개의 별들을 분석함으로써 이번 성과를 이뤄낼 수 있었다.

이러한 오랜세월의 시간은 천문학자들로 하여금 별들의 움직임을 매우 정확하게 측정할 수 있게 해주었으며 이를 통해 팽대부에 존재하는 7만 개의 별을 선별해 낼 수 있었다.

팽대부에 있는 별들은 원반상의 별과는 다른 비율로 움직이기 때문에 이러한 특성을 이용하여 팽대부의 별들을 식별할 수 있었던 것이다.

 

관측이 수행된 지역은 SWEEPS 필드 (식현상을 일으키는 궁수자리의 외계행성 탐사 대상 지역, the Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search Field)의 일부지역으로서 지구로부터 2만 6천광년 거리에 위치하고 있다.

독특하게도 먼지가 존재하지 않는 이 지역은 미리내 팽대부의 중심가를 볼 수 있게 만들어주는 열쇠구멍을 제공해주고 있다.

 

Credit: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science Team

 

사진 3> 이 사진은 미리내의 중심부에 고밀도로 몰려 있는 별들을 보여주고 있다.

사진에 담긴 지역이 SWEEPS 필드로서 2만 6천광년 거리에 위치하고 있다.

천문학자들은 이곳의 별들을 연구하여 처음으로 우리 태양과 같은 별들이 사그라들면서 남은 잔해인 백색 난쟁이별 70개를 발견할 수 있었다.

이 고대의 별들은 미리내의 어린 시절에 대한 정보를 쥐고 있다.

 

허블우주망원경은 ACS를 이용하여 2004년 및 2011년부터 2013년까지 각각 이 지역을 관측하였다.

 

이번 연구를 이끈 우주망원경과학연구소 카일라쉬 사후(Kailash Sahu)의 소감은 다음과 같다.
"최근에 관측된 데이터 상의 별의 위치와 10년 전 관측된 데이터 상의 별의 위치를 비교함으로써 우리는 별들의 정확한 움직임을 측정할 수 있었습니다.
이러한 측정치로부터 우리는 각 별들이 원반 상에 있는 별들인지, 팽대부 상에 자리잡고 있는 별들인지 아니면 헤일로 상에 자리잡고 있는 별들인지를 구분해 낼 수 있었던 것입니다."

천문학자들은 팽대부 상에 있는 별들의 색깔을 분석하고 이를 이론적 모델과 비교함으로써 백색 난쟁이 별들을 식별해낼 수 있었다.

 

극단적으로 뜨거운 상태에 있는 백색 난쟁이별들은 태양과 같은 별들에 비해 상대적으로 더 푸른 빛을 낸다.

백색 난쟁이별이 나이를 먹어 점점 더 차가와지고 희미해지면 아무리 고해상도를 자랑하는 허블우주망원경이라도 식별하기가 매우 어렵게 된다.

 

사후의 설명은 다음과 같다.
"이번에 발견된 70개의 백색 난쟁이별은 그저 빙산의 일각일 뿐입니다.
우리는 허블이 바라본 미리내 팽대부 상의 이 한정된 지역에서만도 대략 10만개에 달하는 백색 난쟁이별이 있을 것으로 생각합니다.
NASA의 제임스웹우주망원경과 같은 차세대 망원경들은 아직 허블우주망원경으로도 식별이 불가능한 미리내 팽대부 상의 이처럼 희미한 별들도 모두 볼 수 있게 해 줄 것입니다."

 
연구팀의 다음 목표는 SWEEPS 필드 상의 다른 부분을 분석하여 백색 난쟁이별의 샘플을 늘리는 데 있다.

이러한 작업을 통해 미리내 팽대부의 나이를 보다 더 정확하게 예측하게 될 것이다.

 

이 백색 난쟁이별들은 또한 수십억년전 팽대부 내에 별 생성 과정이 존재했다면 오늘날 미리내 원반상에서 목격되는 훨씬 어린별들의 생성과는 무엇이 다른지도 결정할 수 있게 해줄 것이다.

연구팀의 연구 결과는 아스트로피지컬 저널 2015년 9월 1일에 개재되었는데 연구팀의 동반논문은 이미 2014년에 아스트로피지컬 저널에 개재된 바 있다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI/AURA),  Acknowledgment: NASA, ESA, A. Calamida and K. Sahu (STScI), and the SWEEPS Science Team

 

사진 4> SWEEPS 필드와 이곳에서 발견된 백색 난쟁이별들의 위치
 
출처 : 허블사이트 2015년 11월 5일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/38/

 

참고 : 우리은하 미리내를 비롯한 각종 은하에 대한 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 
 
참고 : 다양한 백색 난쟁이별을 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-38

Hubble Uncovers Fading Cinders of Some of Our Galaxy's Earliest Homesteaders

Using NASA's Hubble Space Telescope to conduct a "cosmic archaeological dig" at the very heart of our Milky Way galaxy, astronomers have uncovered the blueprints of our galaxy's early construction phase.

Peering deep into the Milky Way's crowded central hub of stars, Hubble researchers have uncovered for the first time a population of ancient white dwarfs — smoldering remnants of once-vibrant stars that inhabited the core. Finding these relics at last can yield clues to how our galaxy was built, long before Earth and our sun formed.

The observations are the deepest, most detailed study of the galaxy's foundational city structure — its vast central bulge that lies in the middle of a pancake-shaped disk of stars, where our solar system dwells.

As with any archaeological relic, the white dwarfs contain the history of a bygone era. They contain information about the stars that existed about 12 billion years ago that burned out to form the white dwarfs. As these dying embers of once-radiant stars cool, they serve as multi-billion-year-old time pieces that tell astronomers about the Milky Way's groundbreaking years.

An analysis of the Hubble data supports the idea that the Milky Way's bulge formed first and that its stellar inhabitants were born very quickly — in less than roughly 2 billion years. The rest of the galaxy's sprawling disk of second- and third-generation stars grew more slowly in the suburbs, encircling the central bulge like the brim of a giant sombrero.

"It is important to observe the Milky Way's bulge because it is the only bulge we can study in detail," explained Annalisa Calamida of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, the science paper's lead author. "You can see bulges in distant galaxies, but you cannot resolve the very faint stars, such as the white dwarfs. The Milky Way's bulge includes almost a quarter of the galaxy's stellar mass. Characterizing the properties of the bulge stars can then provide important information to understanding the formation of the entire Milky Way galaxy and that of similar, more distant galaxies."

The Hubble survey also found slightly more low-mass stars in the bulge, compared to those in the galaxy's disk population. "This result suggests that the environment in the bulge may have been different than the one in the disk, resulting in a different star-formation mechanism," Calamida said.

The observations were so sensitive that the astronomers also used the data to pick out the feeble glow of white dwarfs. The team based its results on an analysis of 70 of the hottest white dwarfs detectable by Hubble in a small region of the bulge among tens of thousands of stars.

These stellar relics are small and extremely dense. They are about the size of Earth but 200,000 times denser. A teaspoon of white dwarf material would weigh about 15 tons. Their tiny stature makes them so dim that it would be as challenging as looking for the glow of a pocket flashlight located on the moon. Astronomers used the sharp Hubble images to separate the bulge stars from the myriad stars in the foreground of our galaxy's disk by tracking their movements over time. The team accomplished this task by analyzing Hubble images of the same field of 240,000 stars, taken 10 years apart. The long timespan allowed the astronomers to make very precise measurements of the stars' motion and pick out 70,000 bulge stars. The bulge's stellar inhabitants move at a different rate than stars in the disk, allowing the astronomers to identify them.

The region surveyed is part of the Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search (SWEEPS) field and is located 26,000 light-years away. The unusually dust-free location on the sky offers a keyhole view into the "downtown" bulge. Hubble's Advanced Camera for Surveys made the observations in 2004 and 2011-2013.

"Comparing the positions of the stars from now and 10 years ago we were able to measure accurate motions of the stars," said Kailash Sahu of STScI, the study's leader. "The motions allowed us to tell if they were disk stars, bulge stars, or halo stars."

The astronomers identified the white dwarfs by analyzing the colors of the bulge stars and comparing them with theoretical models. The extremely hot white dwarfs appear bluer relative to sun-like stars. As white dwarfs age, they become cooler and fainter, becoming difficult even for sharp-eyed Hubble to detect.

"These 70 white dwarfs represent the peak of the iceberg," Sahu said. "We estimate that the total number of white dwarfs is about 100,000 in this tiny Hubble view of the bulge. Future telescopes such as NASA's James Webb Space Telescope will allow us to count almost all of the stars in the bulge down to the faintest ones, which today's telescopes, even Hubble, cannot see."

The team next plans to increase their sample of white dwarfs by analyzing other portions of the SWEEPS field. This should ultimately lead to a more precise estimate of the age of the galactic bulge. They might also determine if star formation processes in the bulge billions of years ago were different from what's seen in the younger disk of our galaxy.

The team's results appeared in the Sept. 1, 2015, issue of The Astrophysical Journal. A companion paper appeared in The Astrophysical Journal in 2014.

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dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Annalisa Calamida / Kailash Sahu
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