스미스 구름(the Smith Cloud)의 기원을 밝혀내다.

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)Science Credit: NASA, ESA, and A. Fox (STScI)

 

그림 1> 이 그림은 미리내로부터 떨어져나간 스미스 구름(the Smith Cloud)이 아치를 그리며 다시 미리내로 돌아오기까지 1억년의 여정을 보여주고 있다.

허블우주망원경을 이용하여 이 구름의 화학적 조성을 측정한 결과 이 구름은 7천만년 전 미리내 원반 모서리에서 생겨난 것임이 규명되었다.
이 구름은 현재 중력 조석 작용을 받아 꼬리를 갖춘 길쭉한 혜성 모양으로 늘어진 상태이다.
3천만 년 후 이 구름은 탄도경로를 따라 다시 미리내 원반으로 추락하게 되고, 이로부터 새로운 별의 생성이 촉발될 것이다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여  미리내 바깥에서 마치 이웃 은하인 것처럼 은신해 있던 미리내 한 부분의 희미한 화학적 흔적을 발견해냈다.
거대한 질량을 자랑하면서 일체의 별은 존재하지 않는 이 구름은 우주 공간을 시속 112만 킬로미터의 속도로 주파하고 있다.

 

스미스 구름(the Smith Cloud)으로 알려져 있는 이 천체는 이른바 초고속 구름들이라 불리는 구름들 사이에서 독보적인 구름에 해당한다.
왜냐하면 그 궤도가 잘 알려져 있기 때문이다.
이는 예전에 이미 국립과학재단 로버트 C. 버트 그린뱅크망원경(Green Bank Telescope, GBT)을 비롯한 전파망원경으로 수행된 연구들 덕분이다.

 

허블우주망원경을 이용한 이번 새로운 관측은 이 구름이 약 7천만년 전 미리내 원반의 외곽부에서 떨어져 나간 것이라고 제안하였다.

 

이 구름이 발견된 것은 1960년대 초반 천문학 박사과정 학생이었던 게일 스미스(Gail Smith)에 의해서였다.
당시 그는 수소로부터 복사되는 전파를 포착해냈다.

 

지금 이 구름은 다시 충돌경로로 되돌아오고 있다.
이 구름은 약 3천만년 내에 미리내 원반을 갈아엎게 될 것으로 예상된다.

 

천문학자들은 충돌이 발생하게 되면 폭발적인 별 생성이 발생하게 될 것으로 예상하고 있는데 이 가스구름으로부터 공급받게 되는 가스의 양은 2백만개의 태양을 만들기에 충분한 양에 해당한다.

 

연구팀의 리더인 우주망원경과학연구소의 앤드류 폭스(Andrew Fox)의 설명은 다음과 같다.
"이 구름은 은하가 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 보여주는 예라 할 수 있습니다.
이 구름이 말해주는 것은 미리내가 끓어오르는 거품과 같은 것이라는 점입니다.
원반의 어느 한 부분이 뚝 떼어져 나갔다가 다른 지역으로 되돌아오곤 하는 매우 역동적인 장소라는 것이죠.
미리내는 이 구름들을 통해 가스가 재활용됩니다.
스미스 구름이 그 단적인 예죠.
그리고 이 와중에 예전과는 다른 장소에서 별들이 만들어질 것입니다.
스미스 구름에 대한 허블의 측정자료는 은하 원반이 얼마나 활동적으로 움직이는지를 우리가 볼 수 있도록 도와주고 있는 것입니다."
 

천문학자들은 혜성 모양의 이 가스지역이 그 길이는 11,000 광년, 폭은 2,500 광년인 것으로 측정하였다.

만약 이 구름을 가시광선으로 볼 수 있다면 보름달의 30배에 달하는 폭으로 펼쳐진 거대한 구름을 볼 수 있었을 것이다.

 

 

Credit: B. Saxton and F. Lockman (NRAO/AUI/NSF), and A. Mellinger

 

사진 1> 이 합성 사진은 스미스 구름의 위치와 그 크기를 보여주고 있다.
스미스 구름은 인위적인 색채를 입혀 표시되었다.
이 구름은 로버트 C. 버드 그린뱅크망원경을 통해 라디오파로 관측된 것이다.

배경을 이루고 있는 별들은 가시광선으로 촬영된 것으로 여름철 별자리인 독수리자리 방향에 이 구름이 위치하고 있음을 보여주고 있다.
이 구름의 각크기는 15도로서 이는 대략 쭉 펼친 팔 하나 길이 정도이다.
사진에는 비교를 위해 보름달의 겉보기 크기가 함께 표시되어 있다.

 

천문학자들은 스미스 구름이 별들을 만들지 못한 실패한 은하이거나 우주공간으로부터 미리내로 추락하는 가스일 것으로 생각해왔다.

 

그런데 만약 이 두 가지 가정이 옳은 것이라면 이 구름은 주로 수소와 헬륨을 포함하고 있었을 것이고, 별에 의해 만들어지는 비교적 무거운 원소들은 존재하지 않았을 것이다.
그러나 이 구름이 만약 미리내에서 연유하는 것이라면 이 구름은 우리 태양내부에서 발견되는 것과 같은 원소들을 더 많이 포함하고 있을 것이다.

 

연구팀은 허블우주망원경을 이용하여 이 구름이 어디서 온 것인지를 결정짓기 위해 사상 처음으로 스미스 구름의 화학적 조성을 측정하였다.

 

천문학자들은 이 구름 너머 수십억 광년 거리에 자리잡고 있는 3 개의 활성은하를 활용하였다.
우선 이 활성은하의 밝은 핵으로부터 뿜어져나오는 자외선을 관측하였다.

 

그리고 허블의 우주기원분광기(Cosmic Origins Spectrograph)를 이용하여 이 구름을 통과해 오면서 이 빛이 어떻게 걸러지는지를 측정하였다.

 

 

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)Science Credit: NASA, ESA, and A. Fox (STScI)

 

표 1> 추락하는 스미스 구름은 허블우주망원경으로서는 감지할 수 없는 파장을 복사한다.
(이 구름은 라디오파를 통해서만 관측이 가능하다)

그러나 허블의 우주기원분광기는 훨씬 멀리서 오는 천체의 빛이 이 구름을 통과할 때 어떤 영향을 받는지를 측정할 수 있다.
이러한 측정치는 이 구름이 가지고 있는 화학적 조성에 대한 단서를 제공해준다.
이처럼 우주적인 감식수법을 이용하여 허블 천문학자들은 이 구름의 기원이 바로 우리 미리내의 원반임을 규명해냈다.
스미스 구름의 추락속도와 관련이 있는 자외선및 라디오파 관측데이터를 결합한 결과 스미스 구름의 역학과 관련이 있는 분광학적 특성에 대한 확고한 증거가 도출되었다.
 

특별히 연구진은 스미스 구름 내의 황을 추적했다.
황은 자외선을 흡수할 수 있는 성분이다.

 

폭스는 황을 측정하게 되면, 태양과 비교하여 이 구름 내에 얼마나 많은 황 원자들이 있는지를 비교해 볼 수 있다고 말했다.
황은 구름 내에 얼마나 많은 무거운 원소들이 존재하는지를 알 수 있는 훌륭한 지표가 되는 것이다.

 

천문학자들은 스미스 구름에 존재하는 황이 중심부로부터 4만 광년 바깥 거리의 미리내 외곽에 존재하는 황만큼이나 풍부하다는 것을 알게 되었다. (이는 우리 태양으로부터 15,000 광년 지점이다.)

 

이것은 스미스 구름에 별로부터 만들어진 물질들이 풍부하게 존재한다는 것을 의미하는 것이었다.

이 구름이 미리내 바깥의 원시 수소로 만들어진 것이거나 별들을 만들어내지 못한 실패한 은하의 잔해였다면 나올 수 없는 결과였던 것이다.

 

결국 이 구름은 우리 미리내로부터 분출되어 올라갔다가 다시 돌아오고 있는 구름인 것으로 보인다.

 

그런데 비록 스미스 구름의 기원에 대한 수수께끼가 풀리긴 했지만 여기서 또 하나의 질문이 제기된다 : 이 구름이 떨어져나간 지점이 어디인가 하는 것이다.

 

무엇이 미리내 원반에서 이 구름이 튀어나가는 파국적인 사건을 만든 것일까?
그리고 이렇게 떨어져 나간 구름이 어떻게 온전한 모습을 가지고 이는것일까?

 

눈에 보이지 않는 물질로 구성된 암흑물질이 미리내 원반을 통과하면서 가스들을 쓸고 나간 것일까?

답은 향후 연구를 통해 규명될 것이다.

 

국립전파천문대의 천문학자이자 이번 논문의 공동저자인 제인 로크맨(Jay Lockman)의 설명은 다음과 같다.
"스미스 구름은 은하에 포섭되어 쏟아져내리는 작은 암흑물질의 특성을 모두 가지고 있습니다.
그러나 이 구름은 미리내 외각에서 유례한 것으로 보이는 특징을 보여주고 있죠.
이론적 계산 결과는 암흑물질 덩어리가 미리내 원반을 통과할 때 가스를 쓸고 나갔을 것이라는 점을 제안하고 있습니다.
지금 우리가 놀라운 상황을 보고 있는 것일지도 모르죠.
스미스 구름은 점점 더 제대로 그 특징이 밝혀질 것입니다."
 
연구팀의 논문은 2016년 1월 1일 발간된 천체물리학 저널에 개재되었다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 1월 28일자
          https://public.nrao.edu/news/pressreleases/smith-hubble-2016
         

참고 : 우리은하 미리내를 비롯한 다양한 은하단 및 은하에 대한 각종 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

 

원문>

January 28, 2016

Fingerprint of Milky Way Found Far from Home in Galactic Neighbor

Astronomers using the Hubble Space Telescope have found faint chemical traces of the Milky Way Galaxy lurking inside one of our cosmic neighbors, a massive, starless cloud hurtling through space at nearly 700,000 miles per hour.

This object, known as the Smith Cloud, is unique among other so-called high velocity clouds because its orbit is well known, thanks to earlier studies with radio telescopes, including the National Science Foundation’s (NSF) Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT). New Hubble observations suggest it was launched from the outer regions of the galactic disk, around 70 million years ago. 

The cloud was discovered in the early 1960s by doctoral astronomy student Gail Smith, who detected the radio waves emitted by its hydrogen. It is now on a return collision course and is expected to plow into the Milky Way's disk in about 30 million years. When it does, astronomers believe it will ignite a spectacular burst of star formation, perhaps providing enough gas to make 2 million Suns.

"The cloud is an example of how the galaxy is changing with time," explained team leader Andrew Fox of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. "It's telling us that the Milky Way is a bubbling, very active place where gas can be thrown out of one part of the disk and then return back down into another."

"Our galaxy is recycling its gas through clouds, the Smith Cloud being one example, and will form stars in different places than before. Hubble's measurements of the Smith Cloud are helping us to visualize how active the disks of galaxies are," Fox said.

Astronomers have measured this comet-shaped region of gas to be 11,000 light-years long and 2,500 light-years across. If the cloud could be seen in visible light, it would span the sky with an apparent diameter 30 times greater than the size of the full Moon.

Astronomers long thought that the Smith Cloud might be a failed, starless galaxy, or gas falling into the Milky Way from intergalactic space. If either of these scenarios proved true, the cloud would contain mainly hydrogen and helium, not the heavier elements made by stars. But if it came from within the galaxy, it would contain more of the elements found within our Sun.

The team used Hubble to measure the Smith Cloud's chemical composition for the first time, to determine where it came from. They observed the ultraviolet light from the bright cores of three active galaxies that reside billions of light-years beyond the cloud. Using Hubble's Cosmic Origins Spectrograph, they measured how this light filters through the cloud.

In particular, they looked for sulfur in the cloud, which can absorb ultraviolet light. "By measuring sulfur, you can learn how enriched in sulfur atoms the cloud is compared to the sun," Fox explained. Sulfur is a good gauge of how many heavier elements reside in the cloud.

The astronomers found that the Smith Cloud is as rich in sulfur as the Milky Way's outer disk, a region about 40,000 light-years from the galaxy's center (about 15,000 light-years farther out than our Sun and Solar System). This means that the Smith Cloud was enriched by material from stars. This would not happen if it were pristine hydrogen from outside the galaxy, or if it were the remnant of a failed galaxy devoid of stars. Instead, the cloud appears to have been ejected from within the Milky Way and is now boomeranging back.

Though this settles the mystery of the Smith Cloud's origin, it raises new questions: How did the cloud get to where it is now? What calamitous event could have catapulted it from the Milky Way's disk, and how did it remain intact? Could it be a region of dark matter — an invisible form of matter — that passed through the disk and captured Milky Way gas? The answers may be found in future research.

"The Smith Cloud has all the characteristics of a small, infalling dark-matter dominated galaxy, but its gas looks like it came from the outer parts of the Milky Way,” said Jay Lockman, an astronomer with the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Green Bank, West Virginia, and co-author on a paper describing these results. "There are theoretical calculations suggesting that a dark matter satellite could capture gas as is passes through the Milky Way disk and that may be the amazing circumstance we are witnessing."

"The Smith Cloud just gets better and better," concluded Lockman.

The team’s research appears in the January 1, 2016 issue of The Astrophysical Journal Letters.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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Contacts:

Charles Blue
National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Va.
434-296-0314
cblue@nrao.edu 

Andrew Fox
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-5083
afox@stsci.edu