레프스달(Refsdal) : 예견하고 포착해내다.

Credit:NASA & ESA and P. Kelly (University of California, Berkeley)

 

사진 1> 이 사진은 허블우주망원경을 이용하여 촬영한 레프스달(Refsdal)이라는 초신성의 모습이다.
왼쪽 사진은 허블 프론티어 필드 프로그램에 의해 관측된 MACS J1149.5+2223  은하단의 일부 모습을 보여주고 있다.
원으로 표시된 지점이 최근 나타난 초신성의 발생 예상지점이었다.
오른쪽 아래를 보면 2014년 말에 목격된 아인슈타인의 십자가가 보인다.

상단 오른쪽 사진은 2015년 허블우주망원경이 촬영한 것으로서 새로 발생할 초신성의 빛을 감지할 목적으로 관측이 막 시작되었을 때의 모습이다.
하단 오른쪽 사진은 여러개의 서로 다른 모델을 통해 예측된 바로 그 초신성 레프스달이 2015년 12월 11일 포착된 모습이다.

 

허블우주망원경이 사상 처음으로, 미리 예견된 초신성의 폭발장면을 포착했다.
초신성 레프스달 (Refsdal)의 재출현은 거대한 중력으로 빛을 구부리는 은하단에 대한, 서로 다른 모델들을 기반으로 계산된 결과이다.

 

 

수많은 별들이 폭발로 삶을 마감하지만 그 중 극히 일부 별의 폭발만이 포착된다.
지금까지 폭발하는 별을 포착해내는데는 전적으로 행운이 필요했다.

 

그런데 2015년 12월 11일, 천문학자들이 폭발하는 초신성의 모습을 촬영했는데 이 초신성은 어디서, 언제 발생할 것이라고 미리 예견된 것이었다.

레프스달[1] 이라는 별명의 이 초신성은 MACS J1149.5+2223 은하단에서 포착되었다.

 

MACS J1149.5+2223 은하단의 빛은 우리에게 도달하기까지 50억년이 시간이 걸렸음에 반해 초신성 레프스달의 빛은 이보다 훨씬 앞선 100억년 전에 발생한 것이다. [2]

 

레프스달의 이야기는 2014년 11월, MACS J1149.5+2223  은하단에 자리잡은 은하 중 하나에서, 한 개의 초신성으로부터 나온 빛이 4개로 분리되어 '아인슈타인의 십자가'라는 이름의 독특한 배열을 만들어내면서 시작되었다.[3]

 

우주가 만들어내는 이러한 환영은 은하단 내에 자리잡은 한 은하의 질량이 멀리서 발생한 초신성의 빛을 구부리고 확대하면서 만들어낸 것인데
이러한 현상을 일컬어 중력렌즈현상이라 부른다. [4]

 

이번 논문의 공동저자인 사우스캐롤라이나 대학의 스티브 로드니(Steve Rodney)의 설명은 다음과 같다.
" 초신성에 대해 연구하는 동안 우리는 초신성 폭발이 발생한 은하가 중력렌즈 작용을 하는 은하단에 의해 이미 알려진 은하임을 알게 되었죠.
즉, 초신성이 몸담고 있는 은하는 이미 중력렌즈작용을 하는 은하단이 만들어낸 엄청난 중력에 의해 구부러진 공간을 통과하면서 이미 3개의 명확한 영상을  우리에게 보여준 은하였던 것입니다."

 

하나의 은하가 여러 개로 보이는 것은 대단히 드문 일이다.

은하단 내에 존재하는 암흑물질이나 눈에 보이는 물질들 자체가 고르지 않게 분포하기 때문에, 이곳을 통과하는 빛은 서로 다른 경로를 거치며 서로 다른 길이를 갖게 된다.
그 결과 하나의 은하에서 발생한 초신성의 빛은 서로 다른 시간에 우리에게 도달하게 되는 것이다.

 

은하단내에서 중력렌즈 작용을 하는 또다른 은하들과 2014년 발견된 아인슈타인의 십자가 데이터를 이용하여, 천문학자들은 동일한 초신성의 빛이 또다시 나타날 것이라는 것을 정확하게 계산할 수 있었다.

 

계산결과에 따르면 이 초신성의 빛은 1998년 초신성이 몸담고 있는 은하가 세 개로 보일때부터 나타났다고 한다.

그러나 당시 초신성의 빛은 관측되지 않았다.  

 

 

Credit:NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

 

사진 2> 이 사진은 초신성 레프스달의 모습을 보여주고 있다.
가장 상단에 있는 원이 1998년 관측가능했던 레프스달의 위치이다. 
가장 아래 원은 동일한 초신성 레프스달이 4개로 보이는 것으로서 2014년 발견되었다.
가운데 원은 가장 최근에 재출현한 레프스달의 위치이다.

 

이번 예측을 위해서 연구팀은 매우 정교한 모델링 기법을 사용하였다.

 

이번 모델링 비교 논문의 주저자인 캘리포니아 대학의 토마소 트로이(Tommaso Treu)의 설명은 다음고 같다.
"우리는 서로 다른 7개의 은하단 모델을 이용하여 언제, 그리고 어디서 초신성이 다시 나타날지를 계산했습니다.
허블과 VLT-MUSE, 그리고 켁 천문대의 관측데이터를 이용하여 중력 렌즈 모델을 구축하는데 필요한 변수들을 수집하는데 정말 많은 노력이 필요했습니다.
그런데 놀랍게도 7개의 모델에서 예측된 시기는 거의 동일하게 나타났죠."

 

2015년 10월 하순 이래, 허블우주망원경은 이 머나먼 우주에서 발생한 폭발을 관측하기 위한 희망과 모델의 정합성을 증명하기 위한 희망을 담고 주기적으로 MACS J1149.5+2223 을 들여다봤다.
그리고 12월 11일 레프스달은 마침내 예언을 완결시켰다.

 

레프스달의 발견과 재출현에 대한 논문의 주저자이자 모델링 비교 연구의 공동저자인 캘리포니아 대학 패트릭 캘리(Patrick Kelly)의 소감은 다음과 같다.
"허블우주망원경은 최상의 과학적 방법들을 선보여 왔습니다.
관측을 통한 실험 예측은 우주에 대한 우리의 이해를 높이는데 있어 강력한 수단을 제공해주고 있죠."

 

레프스달의 재출현 관측은 천문학자들로 하여금 은하단 내에 질량이 어떻게 분포하는지, 특히 수수께끼의 암흑물질과 관련된 분포 모델을 테스트하는데 독보적인 기회를 제공해주고 있다.

천문학자들은 허블 프론티어 필드 프로그램이 가져다줄 또다른 놀라운 결과를 열광적으로 기대하게 되었다.

 

 

Credit:NASA & ESA

 

도표 1> 이 도표는 초신성 레프스달의 모습이 MACS J1149.5+2223 은하단에 의해 어떻게 여러개의 모습을 연출하게 되었는지를 묘사하고 있다.
초신성으로부터 발생한 빛은 중력렌즈 효과에 의해 확대되고 굴절된다.
이러한 효과로 인해 초신성과 그 초신성을 담고 있는 은하가 여러 지역에서 보이게 되는 것이다.
이렇게 갈라진 빛 중 하나는 은하단 내의 거대 타원은하에 의해 다시 한 번 굴절되면서 아인슈타인의 십자가라고 알려진 형상을 연출해냈다.
그 모습은 2014년 말에 이미 관측된 바 있다.

 

각주

[1] 이 초신성의 별명인 레프스달은 1964년 우주의 팽창을 연구하는데 있어 처음으로 중력렌즈 초신성으로부터 발생하는 시간지연 영상의 이용을 제안한 노르웨이의 천문학자 슈 레프스달(Sjur Refsdal)을 기리는 의미로 지어졌다.

 

[2] 하와이 마우나케아의 W.M.켁 천문대에서 이 초신성이 몸담고 있는 은하의 적색편이값을 측정한 결과 그 값은 1.491 이었다.

 

[3] 허블우주망원경은  '확대된 그리즘 렌즈 관측(the Grism Lens Amplified Survey from Space, 이하 GLASS)'-그리즘(Grism)은 회절격자(grating)와 프리즘(prism)을 합성한 단어임 - 협동 연구와 프론티어필드 프로그램의 일환으로 MACS J1149.5+2223를 관측하였다.
두 개 관측 프로그램 모두 은하단의 중력렌즈 속성을 이용하여 은하단 내에 자리잡은 암흑물질과 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하들을 관측하는 프로그램이다.
참고 : 레프스달이 만든 아인슈타인의 십자가 -  https://big-crunch.tistory.com/12347794 
          허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields) -  https://big-crunch.tistory.com/12346870
                                                                                   https://big-crunch.tistory.com/12347024

 

[4] 중력렌즈현상은 뒤쪽에 위치한 희미한 천체의 빛을 확대해줌으로써 애초에는 볼 수 없었을 빛을 허블우주망원경을 통해 관측할 수 있도록 해준다. 
이러한 과정을 처음으로 예측한 사람은 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이다. 
한편, 프론티어 필드 프로그램은 이 현상을 이용하여 우주에서 가장 멀리 떨어진 은하를 찾고 있다.
 

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 12월 16일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1525/

 

참고 : 암흑물질과 중력렌즈에 관한 각종 우주론에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979 
  
참고 : 은하단 및 은하에 대한 각종 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 
 
 참고 : 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields)
           https://big-crunch.tistory.com/12346870
           https://big-crunch.tistory.com/12347024

 

 

원문>

heic1525 — Science Release

Caught in the act

Hubble captures first-ever predicted exploding star

16 December 2015

The NASA/ESA Hubble Space Telescope has captured the image of the first-ever predicted supernova explosion. The reappearance of the Refsdal supernova was calculated from different models of the galaxy cluster whose immense gravity is warping the supernova’s light.

Many stars end their lives with a with a bang, but only a few of these stellar explosions have been caught in the act. When they are, spotting them successfully has been down to pure luck — until now. on 11 December 2015 astronomers not only imaged a supernova in action, but saw it when and where they had predicted it would be.

The supernova, nicknamed Refsdal [1], has been spotted in the galaxy cluster MACS J1149.5+2223. While the light from the cluster has taken about five billion years to reach us, the supernova itself exploded much earlier, nearly 10 billion years ago [2].

Refsdal’s story began in November 2014 when scientists spotted four separate images of the supernova in a rare arrangement known as an Einstein Cross around a galaxy within MACS J1149.5+2223 (heic1505) [3]. The cosmic optical illusion was due to the mass of a single galaxy within the cluster warping and magnifying the light from the distant stellar explosion in a process known as gravitational lensing [4].

"While studying the supernova, we realised that the galaxy in which it exploded is already known to be a galaxy that is being lensed by the cluster,” explains Steve Rodney, co-author, from the University of South Carolina. “The supernova's host galaxy appears to us in at least three distinct images caused by the warping mass of the galaxy cluster.”

These multiple images of the galaxy presented a rare opportunity. As the matter in the cluster — both dark and visible — is distributed unevenly, the light creating each of these images takes a different path with a different length. Therefore the images of the host galaxy of the supernova are visible at different times.

Using other lensed galaxies within the cluster and combining them with the discovery of the Einstein Cross event in 2014, astronomers were able to make precise predictions for the reappearance of the supernova. Their calculations also indicated that the supernova appeared once before in a third image of the host galaxy in 1998 — an event not observed by any telescope. To make these predictions they had to use some very sophisticated modelling techniques.

“We used seven different models of the cluster to calculate when and where the supernova was going to appear in the future. It was a huge effort from the community to gather the necessary input data using Hubble, VLT-MUSE, and Keck and to construct the lens models,” explains Tommaso Treu, lead author of the modelling comparison paper, from the University of California at Los Angeles, USA. “And remarkably all seven models predicted approximately the same time frame for when the new image of the exploding star would appear”.

Since the end of October 2015 Hubble has been periodically peering at MACS J1149.5+2223, hoping to observe the unique rerun of the distant explosion and prove the models correct. on 11 December Refsdal finally made its predicted, but nonetheless showstopping, reappearance.

“Hubble has showcased the modern scientific method at its best,” comments Patrick Kelly, lead author of the discovery and re-appearance papers and co-author of the modelling comparison paper from the University of California Berkeley, USA. “Testing predictions through observations provides powerful means of improving our understanding of the cosmos.”

The detection of Refsdal’s reappearance served as a unique opportunity for astronomers to test their models of how mass — especially that of mysterious dark matter — is distributed within this galaxy cluster. Astronomers are now eager to see what other surprises the ongoing Hubble Frontier Fields programme will bring to light.

Notes

[1] The supernova has been nicknamed Refsdal in honour of the Norwegian astronomer Sjur Refsdal, who, in 1964, first proposed using time-delayed images from a lensed supernova to study the expansion of the Universe.

[2] The W. M. Keck Observatory on Mauna Kea, in Hawaii, was used to measure the redshift of the supernova’s host galaxy (z = 1.491), which is a proxy to its distance.

[3] Hubble observed MACS J1149.5+2223 as part of the Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) and the Frontier Fields programme. Both surveys are exploiting the lensing properties of galaxy clusters to examine the dark matter within them and some of the most distant galaxies beyond them.

[4] Gravitational lensing magnifies the light from fainter, background objects, allowing Hubble to spy galaxies it would otherwise not be able to detect. The process was first predicted by Albert Einstein and is now being exploited by the Frontier Fields programme in order to find some of the most distant galaxies in the Universe.

More information

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

Image Credits: NASA, ESA

Links

• First observation of Refsdal supernova
• Announcement on the search programme
• Link to science paper (prediction)
• Link to science paper (reappearance)
• ESO announcement
• Images of Hubble

Contacts

Patrick Kelly
University of California Berkeley
Berkeley, USA
Email: pkelly@astro.berkeley.edu

Steve Rodney
University of South Carolina
Columbia, USA
Email: srodney@sc.edu

Tommaso Treu
University of California Los Angeles
Los Angeles, USA
Email: tt@astro.ucla.edu

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