IDCS J1426.5+3508 : 초기 은하단의 질량을 측정하다

 

 

Credit: NASA, ESA, and M. Brodwin (University of Missouri)

 

 

천문학자들이 NASA가 보유한 3 개의 특급 빛통들로부터 획득한 데이터를 통해 극단적으로 무거운 질량을 가진 어린 은하단에 대한 가장 상세한 연구를 진행하였다.

이 독특한 은하단은 지구로부터 100억 광년 거리에 위치하고 있으며 그 질량은 태양 질량의 500 조 배에 이른다.

 

이 천체는 초기 우주에서 이처럼 거대한 규모의 천체가 어떻게 형성되고 어떻게 진화되어 가는가를 이해하는데 있어 중요한  의미를 가지고 있다.

 

DCS J1426.5+3508 (짧게 IDCS 1426 으로 표기하기도 함)이라는 이름의 이 은하단은 우주의 나이가 현재 대비 약 4분 1정도일 당시에 존재하던 은하단이다.

이 은하단은 이처럼 어린 나이를 가지고 있는 은하단으로서는 가장 무거운 질량을 보유하고 있는 은하단이다.

 

 

이 은하단은 2012년 스피처우주빛통에 의해 처음 발견되었으며 이후 허블우주빛통과 켁 천문대에 의해 은하단까지의 거리를 결정하기 위한 관측이 진행되었다.

 

밀리미터파 천문학을 위한 연합 배열(the Combined Array for Millimeter-wave Astronomy, CARMA)의 관측 데이터는 이 은하단이 극도로 무거운 질량을 가지고 있음을 말해주었다.

 

찬드라 X선 빛통에 의해 새로 취득된 관측 데이터는 이 은하단의 질량을 확정해주었을 뿐만 아니라, 전체 질량의 90퍼센트가 암흑물질로 구성되어 있음을 말해주고 있다.
암흑물질이란 원자로 구성된 일반물질에 행사하는 중력만으로 그 존재가 감지되는 수수께끼의 물질이다.

 

이번 연구를 이끈 미주리 대학의 마크 브로드윈(Mark Brodwin)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견을 위해 우리는 관측 한계선까지 관측을 진행했습니다. 

 우주에서 형성되는 가장 초기의 무거운 구조물 중 하나로서 이 은하단은 어떻게 은하단이 형성되어 진화하는지를 설명하기 위한 이론이 반드시 넘어야 할

 가장 높은 장막으로서 작용하고 있죠."
 

은하단은 중력에 의해 서로 엮여 있는 우주에서 가장 거대한 구조물에 해당한다.

순전히 그 크기 때문에 과학자들은 이들이 형성되는데 수십억년의 시간이 소요되었을 것이라고 생각하고 있다.

 

IDCS J1426 까지의 거리는 이 은하단이 우주의 나이가 고작 38억년이던 시점에 존재한다는 것을 말해주는데, 이는 이 은하단이 매우 어린 나이일 거라는 사실을 말해주는 것이기도 했다.

 

찬드라 X선 빛통의 관측 데이터는 은하단의 가운데 부근에서 밝은 X선 점들이 있음을 밝혀주었다.

그런데 이 X선 점들이 관측되는 곳이 은하단의 정 가운데는 아니었다.

 

정도 이상 고밀도로 몰려 있는 이 부분은 은하단의 중심부에서 밀려나온 것으로 보였는데, 이에 대한 가설은 5억년 전 발달 중에 있는 또다른 은하단과 충돌했기 때문인 것으로 보고 있다.

그와 같은 충돌이라면 X선 복사를 일으킬 수 있게 되며, 마치 유리잔에 담긴 와인처럼 뜨거운 가스가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 출렁거릴 수 있게 되는 것이다. 

이번 논문의 공동저자인 메사추세츠 기술연구소의 마이클 맥도널드(Michael McDonald)의 설명은 다음과 같다.
"은하군 또는 은하단 간의 충돌은 초기 우주에서는 보다 일반적인 현상이었을 겁니다.
 이러한 현상은 어린 은하단들이 보다 빨리 형성되는데 있어 중요한 역할을 수행한 것으로 보입니다."

 

비교적 차가운 이 중심부를 제외하고 은하단 내의 나머지 뜨거운 가스들은 매우 고르게, 대칭적으로 분포하고 있다.

이것이 의미하는 또 한가지 가능성은  IDCS 1426이 매우 빠르게 형성되었을 것이라는 점이다.

 

게다가 천문학자들이 찾아낸 가능성있는 증거는 뜨거운 가스 내에 존재하는 수소나 헬륨보다 무거운 원소들의 분포가 이상하게 적다는 점이었다. 
 
이것이 의미하는 것은 이 은하단이 여전히 초신성 폭발을 통해 보다 무거운 원소를 만들어내고 있으며, 이 무거운 원소들을 각 은하 속에 채워나가는 과정에 있었음을 말해주는 것이다.
 

이번 논문의 공동저자인 플로리다 대학의 안토니 곤잘레즈(Anthony Gonzalez)의 설명은 다음과 같다.
"초기 우주에서 무거운 은하단의 존재는 현재 우리가 이해하고 있는 우주론에 배치되지는 않습니다. 
 오히려 우리의 모델을 좀더 세부적으로 가다듬는데 있어 더 많은 정보를 제공해주고 있죠."

 

초기 우주에서 또다른 무거운 은하단이 발견된 증거는 존재하지만 IDCS 1426과 같은 무거운 질량과 어린 나이에 필적하는 은하단은 아직 발견되지 않았다.

 

은하단의 질량을 측정하는데는 3 개의 독립적인 방법이 동원되었다.
질량의 측정을 위해서는 은하단에 쏟아져나오는 X선 복사 가스를 한정하고 우주배경복사 상에 새겨진 이 은하단의 가스상 물질의 질량이 측정되었으며,

은하단의 질량에 의해 은하단 뒷편에 위치한 은하들의 모습이 왜곡되는 양상이 관측되었다.

이번 연구 결과는 플로리다 키시미에서 열린 227차 전미천문학회에서 발표되었다. 

이번 논문은 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재가 허락되었으며 온라인 상에서 확인이 가능하다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 1월 7일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/02/

        

참고 : IDCS J1426.5+3508을 비롯한 은하단 및 은하에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 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>

News Release Number: STScI-2016-02

NASA's Great Observatories Weigh Massive Young Galaxy Cluster

Astronomers have used data from three of NASA's Great Observatories to make the most detailed study yet of an extremely massive young galaxy cluster. This rare galaxy cluster, which is located 10 billion light-years from Earth, is almost as massive as 500 trillion suns. This object has important implications for understanding how these megastructures formed and evolved early in the universe.

The galaxy cluster, called IDCS J1426.5+3508 (IDCS 1426 for short), is so far away that the light detected is from when the universe was roughly a quarter of its current age. It is the most massive galaxy cluster detected at such an early age.

First discovered by the Spitzer Space Telescope in 2012, IDCS 1426 was then observed using the Hubble Space Telescope and the Keck Observatory to determine its distance. Observations from the Combined Array for Millimeter-wave Astronomy indicated it was extremely massive. New data from the Chandra X-ray Observatory confirm the galaxy cluster mass and show that about 90 percent of the mass of the cluster is in the form of dark matter, a mysterious substance detected so far only through its gravitational pull on normal matter composed of atoms.

"We are really pushing the boundaries with this discovery," said Mark Brodwin of the University of Missouri at Kansas City, who led the study. "As one of the earliest massive structures to form in the universe, this cluster sets a high bar for theories that attempt to explain how clusters and galaxies evolve."

Galaxy clusters are the largest objects in the universe bound together by gravity. Because of their sheer size, scientists think it should take several billion years for them to form. The distance of IDCS J1426 means astronomers are observing it when the universe was only 3.8 billion years old, implying that the cluster is seen at a very young age.

The data from Chandra reveal a bright knot of X-rays near the middle of the cluster, but not exactly at its center. This overdense core has been dislodged from the cluster center, possibly by a merger with another developing cluster 500 million years prior. Such a merger would cause the X-ray-emitting, hot gas to slosh around like wine in a glass that is tipped from side to side.

"Mergers with other groups and clusters of galaxies should have been more common so early in the history of the universe," said co-author Michael McDonald of the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts. "That appears to have played an important part in this young cluster's rapid formation."

Aside from this cool core, the hot gas in the rest of the cluster is very smooth and symmetric. This is another indication that IDCS 1426 formed very rapidly. In addition, astronomers found possible evidence that the abundance of elements heavier than hydrogen and helium in the hot gas is unusually low. This suggests that this galaxy cluster might still be in the process of enriching its hot gas with these elements as supernovae create heavier elements and blast them out of individual galaxies.

"The presence of this massive galaxy cluster in the early universe doesn't upset our current understanding of cosmology," said co-author of Anthony Gonzalez of the University of Florida in Gainesville, Florida. "It does, however, give us more information to work with as we refine our models."

Evidence for other massive galaxy clusters at early times has been found, but none of these matches IDCS 1426, with its combination of mass and youth. The mass determination used three independent methods: a measurement of the mass needed to confine the hot X-ray-emitting gas to the cluster, the imprint of the cluster's gaseous mass on the cosmic microwave background radiation, and the observed distortions in the shapes of galaxies behind the cluster, which are caused by the bending of light from the galaxies by the gravity of the cluster.

These results were presented at the 227th American Astronomical Society meeting being held in Kissimmee, Florida. A paper describing these results has been accepted for publication in The Astrophysical Journal and is available online. NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for NASA's Science Mission Directorate in Washington, D.C. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations. The Spitzer Space Telescope is managed by NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California. The Spitzer Science Center at the California Institute of Technology in Pasadena conducts science operations. The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and the European Space Agency. NASA's Goddard Space Flight Center manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.

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