물병자리 SSA22 지역에서 발견된 거대한 아기은하들

천문학자들이 ALMA(아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array )를 이용하여 115억광년 거리에서 거대한 규모를 가진 갓 탄생한 은하들이 몰려 있는 지역을 발견해냈다.

 

이 은하들은 거미줄처럼 얽혀 있는 암흑물질 망 내에서 거대한 암흑물질다발들이 뭉쳐져 있는 지점에 위치하고 있는 것으로 보인다.
이번 발견은 거대한 규모를 가진 은하들이 어떻게 형성되는지, 그리고 이들이 어떻게 거대 타원은하로 성장해가는지를 이해하는데 있어 매우 중요한 발견에 해당한다.

 

우리는 우주의 역사에서 비교적 조용한 시기에 살고 있다.

 

태양과 지구가 형성되기도 훨씬 전인 100억년 전 우주는, 오늘날 미리내에서 관측되는것보다 수백 수천 배의 비율로 새로운 별들을 만들어내는 괴물과 같은 은하들이 자리잡고 있었다.

비록 이 은하들은 남아 있지 않지만 천문학자들은 오늘날의 우주에서 관측되는 거대 타원은하들이 이 어린 은하들로부터 만들어졌을 것으로 생각하고 있다.

 

오늘날의 은하형성 이론들은 이 괴물과 같은 은하들이 암흑물질이 몰려 있는 특별한 환경에서 형성되는 것으로 예상하고 있다.
그러나 이 왕성하게 새로운 별들을 형성해내는 은하들이 자리잡고 있는 위치가 이론상 예견된 지점에 정말 존재하는지를 검증하기란 쉽지 않았다.

검증을 어렵게 만드는 문제 중 일부는 이 은하들이 먼지에 가려져 있어 가시광선으로 관측하기가 쉽지 않다는 점에 있었다.

 

먼지를 뒤집어쓰고 있는 은하는 서브밀리미터 파장의 강력한 라디오 파를 복사해낸다.
그러나 일반적인 전파망원경은 각각의 은하들을 분리해내는데 필요한 해상도를 갖추지 못하고 있는 것이 대체적인 상황이었다.

 

연구팀을 이끌고 있는 히데키 우메하타(Hideki Umehata, 과학진흥을 위한 일본 학회의 박사후 과정에 있으며 ESO에 소속되어 있음)와 요이치 타무라(Yoichi Tamura, 도쿄대학 조교수), 코타로 코노(Kotaro Kohno, 도쿄대학 교수)가 이끄는 연구팀은 이 왕성하게 새로운 별들을 만들어내는 은하를 연구하기 위해 ALMA를 이용하여 물병자리의 SSA22라 불리는 특정 지역에 대한 광범위한 관측을 진행하였다.

 

ALMA를 이용한 관측 이전에 연구팀은 일본국립천문대의 10미터 서브밀리미터 망원경인 ASTE를 이용하여 SSA22의 갓 태어난 은하를 탐사하였다.

하지만 ASTE로는 감도와 해상도가 충분하지 않았기 때문에 대상 위치에 거대한 은하집단이 있을 것이라는 것만 짐작할 수 있었다.

 

ASTE보다 10배 이상의 감도와 60 배 이상의 해상도를 가진 ALMA를 이용하여 천문학자들은 대상 지역에서 9 개의 거대 은하들을 식별해낼 수 있었다.

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, H. Umehata (The University of Tokyo)

 

사진 1> 거대 은하의 예
왼쪽 사진은 ASTE의 서브밀리미터 파장으로 촬영한 사진이다.
마치 하나의 거대 은하인 듯 보인다.
가운데 사진은 동일 서브-밀리미터 파장을 이용한 관측 사진으로 ALMA를 이용하여 촬영한 것이다.
60배 이상의 해상도와 10 이상의 감도를 가진 ALMA를 이용하여 이 곳에서 서로 가깝게 붙어 있는 3 개의 거대 은하를 식별해낼 수 있었다.
오른쪽 사진은 동일 지역을 쓰바루 망원경을 이용하여 가시광선으로 촬영한 것이다.
사진에서 모든 거대 은하를 볼 수는 없지만 몇몇은 매우 희미하게 그 모습이 나타나 있다.

연구팀은 이 은하의 위치를 일본 국립천문대에 의해 운영되고 있는 쓰바루 망원경이 가시광선으로 촬영한 SSA22 지역의 어린 은하무리의 위치와 비교하였다.

쓰바루 망원경을 통해 관측한 은하무리의 모양은 눈에 보이지 않는 거대한 암흑물질 거미줄의 입체적인 모습을 말해주고 있다.

이 암흑물질 다발은 우주의 거대한 구조를 만든 원시적인 구조일 것으로 생각되고 있다.

 

현대 우주에서 가장 거대한 규모로 알려진 구조를 '우주의 거대한 담장(the cosmic Great Wall)'이라 한다.
이 구조는 거대한 다발들이 5억 광년에 걸쳐 펼쳐져 있는 구조이다.
SSA22 의 다발 구조는 원시 거대 담장이라 할 수 있을 것이다.

 

연구팀은 이 갓 태어난 거대 은하들이 바로 암흑물질 다발이 교차하는 지점에 자리잡고 있다는 것을 알아냈다.
이러한 결과는 거대 은하들이 암흑물질이 집중된 지역에서 만들어진다는 모델을 지지하는 결과이다.

 

현대의 거대 타원은하들은 성숙한 나이를 가진 단순한 거대 은하이기 때문에 이들 역시 거대 구조의 연합체에서 기원했음에 틀림없다.

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진 2> 원시 거대 담장과 거대 은하들을 시각화 그림.
거대 은하들은 거미줄과 같은 구조 중심부에서 형성된 어린 은하들로부터 만들어졌을 것으로 생각되고 있다.
 

이번 연구 결과는 암흑 물질의 분포 및 거대 은하들 간의 관계를 포괄적으로 이해하는데 있어 매우 중요한 단계라 할 수 있다.
연구팀은 초기 우주에서 거대 구조의 진화를 연구하기 위해 이들 거대 은하에 대한 광범위한 탐사를 계속할 예정이다.

 

이번 연구 결과는 우메하타와 그 동료들 명의로 2015년 12월 4일 아스트로피지컬 저널에 "ALMA가 바라본 SSA22의 깊은 우주 : 적색편이 3.09의 원시 은하단 중심에서 발견된 별들을 왕성하게 만들어내는 먼지 가득한 은하의 집중양상(ALMA Deep Field in SSA22: A concentration of dusty starbursts in a z=3.09 protocluster core)"이라는 제목으로 개재되었다.

 

보도자료 배포는 2015년 12월 5일 일본어로 발표되었으며 영문 번역은 일본 국립 천문대에 의해 이루어졌다.

인용출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release 2015년 12월 4일자
              https://public.nrao.edu/news/announcements/alma-galaxies-dark-matter

 

원출처 : ALMA Press Release 2015년 12월 5일자
 http://alma.mtk.nao.ac.jp/e/news/pressrelease/20151205alma_spots_monstrous_baby_galaxies_cradled_in_dark_matter.html

 

참고 : 각종 원시 은하 등 은하에 대한 다양한 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>

ALMA Spots Monstrous Baby Galaxies Cradled in Dark Matter

Astronomers discovered a nest of monstrous baby galaxies 11.5 billion light-years away using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). The young galaxies seem to reside at the junction of gigantic filaments in a web of dark matter. These findings are important for understanding how monstrous galaxies like these are formed and how they evolve in to huge elliptical galaxies.

We are living in a relatively quiet period in the history of the Universe. Ten billion years ago, long before the Sun and Earth were formed, areas of the Universe were inhabited by monstrous galaxies with star formation rates hundreds or thousands of times what we observe today in the Milky Way galaxy. There aren't any monstrous galaxies left in the modern Universe, but astronomers believe that these young galaxies matured into giant elliptical galaxies which are seen in the modern Universe.

Current galaxy formation theories predict that these monstrous galaxies form in special environments where dark matter is concentrated. But up until now it has been difficult to determine the positions of active star forming galaxies with enough precision to actually test this prediction. Part of the problem is that monstrous star-forming galaxies are often obscured in dust, making them difficult to observe in visible light. Dusty galaxies do emit strong radio waves with submillimeter wavelengths, but radio telescopes typically have not had the resolution needed to pin-point individual galaxies.

To search for monstrous galaxies, the research team led by Hideki Umehata (a postdoctoral fellow of the Japan Society for the Promotion of Science staying at the European Southern Observatory, Germany), Yoichi Tamura (an assistant professor at the University of Tokyo), and Kotaro Kohno (a professor at the University of Tokyo) used ALMA to make extensive observations of a small part of the sky called SSA22 in the constellation Aquarius (the Water-Bearer).

Before their ALMA observations, the team searched for baby galaxies in SSA22 with ASTE, a 10-m submillimeter telescope operated by NAOJ. While the sensitivity and resolution was not sufficient to be sure, in the ASTE images they could see indications that there might be a cluster of monstrous galaxies. With ten times better sensitivity and 60 times better resolution, ALMA enabled astronomers to pinpoint the locations of nine monstrous galaxies in SSA22.

The team compared the positions of these galaxies with the location of a cluster of young galaxies 11.5 billion light-years from Earth in SSA22 which had been studied in visible light by the Subaru Telescope, operated by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The shape of the cluster observed by the Subaru Telescope indicates the presence of a huge 3D web of invisible dark matter. This dark matter filamentary structure is thought to be a progenitor of large scale structures in the Universe. one of the best known examples of large scale structure in the modern Universe is the cosmic Great Wall, a gigantic filamentary structure spanning over 500 million light-years. The filamentary structure in SSA22 could be called a proto-Great Wall.

The team found that their young monstrous galaxies seemed to be located right at the intersection of the dark matter filaments. This finding supports the model that monstrous galaxies form in areas where dark matter is concentrated. And since modern large elliptical galaxies are simply monstrous galaxies which have mellowed with age, they too must have originated at nexuses in the large scale structure.

This result is a very important step for a comprehensive understanding of the relation between the dark matter distribution and monstrous galaxies. The team will continue its extensive search for monstrous galaxies to look back even farther into the early history of the Universe to study the evolution of the large scale structure.

This observation result was published as Umehata et al. "ALMA Deep Field in SSA22: A concentration of dusty starbursts in a z=3.09 protocluster core" in the Astrophysical Journal Letters, issued on December 4, 2015.

This press release was issued by The University of Tokyo on December 5th, 2015 in Japanese. English version is translated by the National Astronomical Observatory of Japan.