GN-z11 : 분광학적으로 분석된 가장 멀리 떨어진 은하

 

Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

 

사진 1> 천문학자들이 GOODS(the Great Observatories Origins Deep Survey) 탐사프로그램을 통해 획득한 북반구의 특정 지역을 연구하여 가장 멀리 떨어진 은하까지의 거리를 측정해냈다.
이번 탐사의 대상이 된 지역에는 수만 개의 은하가 포함되어 있다.

네모 박스에 보이는 은하 GN-z11은 지금으로부터 134억년 전, 빅뱅이 있은 후 고작 4억 광년밖에 되지 않은 시점에 존재하는 은하이다.
이는 우주의 나이가 현재대비 고작 3%밖에 되지 않는 시점이었다.

이 은하는 갓태어난 밝고 푸른 별들이 가득차 있는 은하이다.
그러나 사진에서 붉은 색으로 보이는 것은 우주의 팽창에 따라 이 은하로부터 온 빛의 파장이 늘어났기 때문이다.
 

천문학자들로 이뤄진 국제 연구팀이 허블우주망원경의 관측 능력 한계선까지 밀어붙인 관측 끝에 가장 머나먼 은하의 기록을 경신해냈다.

GN-z11 이라는 이름의 이 은하는 갓태어난 은하지만 놀랍도록 밝은 은하로서 은하가 관측된 지점은 134억 광년 거리였다.
이는 빅뱅 이후 고작 4억년 밖에 지나지 않은 시점이다.

GN-z11 는 큰곰자리 방향에 위치하고 있다.

 

이번 프로젝트의 수석 연구원인 예일대학 파스칼 오쉬(Pascal Oesch)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 과거로 향한 중요한 한 발자국을 내디뎠습니다.
이 은하는 허블우주 망원경을 이용하여 지금까지 관측할 수 있었던 지점 너머에 자리잡고 있었죠.
GN-z11이 발견된 지점은 우주의 나이가 현재 대비 고작 3%밖에 되지 않던 때입니다."
 

연구팀에는 예일 대학 및 우주 망원경과학연구소(the Space Telescope Science Institute, 이하 STScI)와 캘리포니아 대학의 과학자들이 포함되어 있다.

 

천문학자들은 우주에서 가장 처음으로 생성된 은하에 다가가고 있다.

이번에 수행된 허블의 관측은 차세대 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경에 의해서만 관측 가능할 것으로 생각했던 지점으로 천문학자들을 안내해 주었다.

 

이번 관측 결과는 허블우주망원경이 촬영한 사진에서 발견되는 예상외로 밝은 빛을 보이는 몇몇 독특한 은하들이 실제로는 엄청나게 먼 거리에 위치하고 있는 은하일 수 있음을 말해주는 강력한 증거가 되고 있다.

 

이전까지 연구팀은 GN-z11의 예상 거리를 허블우주망원경과 스피처우주망원경이 촬영한 사진에 나타나는 색깔을 통해 결정했다.

 

이번에 연구팀은 허블 WFC3를 이용하여 GN-z11의 빛을 분광확적으로 하나하나 갈라내면서 이처럼 극단적인 거리로 떨어져 있는 은하에 대해서 사상 처음으로 정확하게 거리를 측정할 수 있었다.

 

천문학자들은 적색편이 정도를 결정함으로써 그 어마어마한 거리를 측정한다.
이러한 현상은 우주가 팽창하기 때문에 나타나는 결과이다.

 

우리로부터 멀리 떨어져 있는 모든 천체들은 우리로부터 멀어지고 있기 때문에 해당 천체에서 발생한 빛은 팽창하는 우주를 거쳐 오는 중에 좀더 파장이 길어져 붉은 빛으로 이동한 상태로 망원경에 담기게 된다.
따라서 적색편이가 크게 나타날수록 더 멀리 떨어진 은하가 되는 것이다.

 

Credit: NASA, ESA, and C. Christian and Z. Levay (STScI)

 

표 1> 은하는 모든 전자기스펙트럼에서 빛을 복사한다.
별들을 만들어내고 있는 은하들은 강력한 활동성을 나타내는 지역이 존재하며 이러한 지역에서는 자외선 이상의 고에너지 복사가 일어나게 된다.
그러나 은하에서 발생하는 자외선은 별생성구역을 둘러싸고 있는 구름에 의해 차폐된다.
이러한 현상은 표에서 "잔여 복사분(Emitted (rest))"으로 표기된 부분의 위쪽 스펙트럼에서 보이는 바와 같이 고에너지 대역에서 복사되는 빛을 현저하게 떨어뜨리는 복사 절벽현상의 원인이 된다.
지근거리에 있는 은하들처럼 그 거리가 측정된 은하에서 발생하는 자외선의 복사 절벽지점은 이 표에 묘사되어 있는 것처럼 예측이 가능하다.

(수소의 영향 때문에 라이먼 단절(the Lyman break)이 일어나는 가장 짧은 쪽 파장은 912 옹스트롬이다.)

복사 절벽이 나타는 곳은 "UV"라는 제목이 붙은 지점 왼쪽에 보이는 어두운 지역이다.

머나먼 은하에서 온 빛은 모든 스펙트럼에서 적색편이가 일어난다. 따라서 모든 빛은 예상보다 훨씬 붉은 빛의 파장에서 그 모습을 드러낸다.
자외선 절벽 역시 이와 같은 드라마틱한 과정을 구성하는 하나로서 그 현상이 쉽게 식별되며 은하의 적색편이 값을 얻는데 사용되곤 한다.
그리고 그 결과로 거리가 계산되는 것이다.

GN-z11은 바로 이와 같은 은하에 해당한다.
GN-z11의 스펙트럼은 명백한 자외선 절벽을 포함하고 있다.
그리고 11까지 찍힌 적색편이에 의해 자외선절벽 역시 편이되었다.
그 결과 자외선 절벽은 붉은 색까지 이동되었고 바로 그것이 적외선 망원경에 의해 관측되었는데 표의 중간부분은 바로 이 현상을 묘사하고 있다.
(표의 중간에 "IR"위쪽으로 어두운 지역을 가로지르고 있는 것이 바로 라이먼 단절선이다.)

이 도표는 은하로부터 발생하는 복사의 형태를 묘사하고 있으며 다채로운 색깔의 스펙트럼은 분광기를 통한 관측에 끼친 영향을 보여주고 있다.

분광기는 정확한 적색편이의 측정을 가능하게 해주며 그 결과 거리도 측정할 수 있게 해 주는 기기이다.

표의 가장 아래쪽에는 관측 대상을 화상화할 때 적색 편이가 어떻게 나타나는지를 묘사하고 있다.
많은 경우, 은하들은 매우 희미하여 분광기로 관측하기가 쉽지 않다.
이 경우 천문학자들은 여러 개의 필터를 이용하여 사진을 촬영한다.
이 작업에는 몇몇 망원경들도 동원되기도 하는데 이를 통해 은하에서 복사되는 빛의 위치가 결정된다.  
이 표의 경우 은하는 자외선 절벽이 나타나는 곳보다 더 높은 에너지를 갖는 대역에서는 감지되지 않고 있다.
적색편이의 영향으로 복사절벽은 가시광선이나, 심지어는 적외선에서 모습을 드러내기도 한다.
이는 전적으로 얼마나 적색편이가 되었느냐에 따라 다르게 나타난다.
한편 적색편이의 예측치는 자외선과 가시광선, 근적외선과 적외선 데이터를 비교하여 얻을 수 있다.
이러한 방법에서 도출되는 예측치는 분광기에 의해 얻어지는 예측치보다 정확성은 떨어진다.
그러나 대강의 적색편이 값을 알 수는 있고 따라서 그 거리 역시 대강의 수준으로 예측이 가능하다.

 

 

이번 논문의 제2저자인 STScI 가브리엘 브레머(Gabriel Brammer)의 설명은 다음과 같다.
"우리의 분광 분석 데이터는 이 은하가 원래 추측했던 것보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있다는 사실을 알려주었습니다.
그런데 원래 생각했던 그 거리는 바로 허블우주망원경이 관측 가능하리라고 생각했던 관측 한계선 지점이었습니다."

 

이번에 천문학자들이 GN-z11 의 거리를 결정하기 전에 분광학적 측정을 통해 밝혀낸 가장 멀리 떨어진 은하의 적색 편이값은 8.68 (132억 광년)이었다.
이번에 확정된 GN-z11의 적색편이값은 11.1로서 이는 빅뱅쪽으로 무려 2억 광년이나 더 접근한 수치인 것이다.

 

Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

 

사진 2> GN-z11

 

예일대학의 연구원인 피터 반 도쿰(Pieter van Dokkum)의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 허블우주망원경으로는 정말 예상 밖의 업적입니다.
허블우주망원경은 훨씬 큰 규모를 가진 지상의 망원경들이 세워온 기록을 갱신하는데 성공했습니다.
이번에 수립된 새로운 기록은 제임스웹 우주망원경이 발사될 때까지는 계속 유지될 것이라 생각합니다."
 

허블우주망원경과 스피처우주망원경의 관측 데이터를 함께 조합한 결과 GN-z11 은 미리내 대비 25배 적은 크기이며 GN-z11이 보유하고 있는 별의 질량은 미리내 총 질량의 1% 수준임이 밝혀졌다.
그러나 이제 막 탄생한 GN-z11은 빠르게 성장하고 있으며 오늘날의 미리내 대비 20배나 더 빠른 비율로 새로운 별들을 만들어내고 있다.
이러한 상황은 이 머나먼 은하를 허블우주망원경이나 스피처우주망원경을 이용하여 찾아내고 세밀한 관측이 가능할만큼 충분히 밝게 만들어주고 있다.
 

이번 연구 결과는 또한 이른 초기 우주의 속성에 대해 놀라운 새로운 단서를 밝혀주고 있다.

 

캘리포니아대학 연구원인 가스 일링워스(Garth Illingworth)의 설명은 다음과 같다.
"최초 세대의 별들이 생성되기 시작한 후 고작 2억년에서 3억년 사이에 이처럼 무거운 질량을 가진 은하들이 존재한다는 것은 정말 놀라운 일입니다. 이 은하는 정말 빠르게 성장했고, 매우 빠른 속도로 별들을 만들어내면서 얼마 되지 않아 태양 질량의 십억배에 해당하는 몸집을 갖추게 되었습니다."

 

Credit: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

 

표 2> 이 표는 빅뱅으로부터 오늘날에 이르는 우주의 역사를 묘사한 표이다.
이번에 발견된 은하 GN-z11은 별이 생성되기 시작한지 얼마 되지 않는 지점에 위치하고 있다.
이 표에는 또한 분광학적 분석을 통해 예전에 가장 머나먼 기록을 가지고 있었던 은하의 위치도 표시되어 있다.

이번 발견은 2018년 설치될 제임스웹 우주망원경의 관측 결과를 살짝 미리보는 결과라 할 수 있다.
오쉬는 허블과 스피처우주망원경이 이미 제임스웹 우주망원경의 관측 경계선까지 도달했다고 평가했다.
일링워스는 제임스웹 우주망원경이야말로 최초의 은하들이 형성되던 때까지 올라가 GN-z11과 같은 은하를 많이 발견하게 될 것이라고 말했다.

 

이번 발견은 NASA가 계획하고 있는 광대역적외선탐사망원경(Wide-Field Infrared Survey Telescope, WFIRST)에게도 중요한 의미를 갖는다.
이 망원경은 이처럼 매우 멀리 떨어져 있으면서 밝게 빛나는 은하 수천개를 발견할 수 있는 능력을 탑재하게 될 것이다.

 

이번 발견은 2016년 3월 8일 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재될 예정이다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 3월 3일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/07/full/

 

 

참고 : 태초의 은하들을 포함한 각종 은하에 대한 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 : 가정 멀리 떨어진 은하 순위
           https://big-crunch.tistory.com/12347928

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-07

Hubble Team Breaks Cosmic Distance Record

By pushing NASA's Hubble Space Telescope to its limits, an international team of astronomers has shattered the cosmic distance record by measuring the farthest galaxy ever seen in the universe. This surprisingly bright, infant galaxy, named GN-z11, is seen as it was 13.4 billion years in the past, just 400 million years after the big bang. GN-z11 is located in the direction of the constellation of Ursa Major.

"We've taken a major step back in time, beyond what we'd ever expected to be able to do with Hubble. We see GN-z11 at a time when the universe was only three percent of its current age," explained principal investigator Pascal Oesch of Yale University in New Haven, Connecticut. The team includes scientists from Yale University, the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, and the University of California in Santa Cruz, California.

Astronomers are closing in on the first galaxies that formed in the universe. The new Hubble observations take astronomers into a realm that was once thought to be only reachable with NASA's upcoming James Webb Space Telescope.

This measurement provides strong evidence that some unusual and unexpectedly bright galaxies found earlier in Hubble images are really at extraordinary distances. Previously, the team had estimated GN-z11's distance by determining its color through imaging with Hubble and NASA's Spitzer Space Telescope. Now, for the first time for a galaxy at such an extreme distance, the team used Hubble's Wide Field Camera 3 to precisely measure the distance to GN-z11 spectroscopically by splitting the light into its component colors.

Astronomers measure large distances by determining the "redshift" of a galaxy. This phenomenon is a result of the expansion of the universe; every distant object in the universe appears to be receding from us because its light is stretched to longer, redder wavelengths as it travels through expanding space to reach our telescopes. The greater the redshift, the farther the galaxy.

"Our spectroscopic observations reveal the galaxy to be even farther away than we had originally thought, right at the distance limit of what Hubble can observe," said Gabriel Brammer of STScI, second author of the study.

Before astronomers determined the distance for GN-z11, the most distant galaxy measured spectroscopically had a redshift of 8.68 (13.2 billion years in the past). Now, the team has confirmed GN-z11 to be at a redshift of 11.1, nearly 200 million years closer to the time of the big bang. "This is an extraordinary accomplishment for Hubble. It managed to beat all the previous distance records held for years by much larger ground-based telescopes," said investigator Pieter van Dokkum of Yale University. "This new record will likely stand until the launch of the James Webb Space Telescope."

The combination of Hubble's and Spitzer's imaging reveals that GN-z11 is 25 times smaller than the Milky Way and has just one percent of our galaxy's mass in stars. However, the newborn GN-z11 is growing fast, forming stars at a rate about 20 times greater than our galaxy does today. This makes such an extremely remote galaxy bright enough for astronomers to find and perform detailed observations with both Hubble and Spitzer.

The results reveal surprising new clues about the nature of the very early universe. "It's amazing that a galaxy so massive existed only 200 million to 300 million years after the very first stars started to form. It takes really fast growth, producing stars at a huge rate, to have formed a galaxy that is a billion solar masses so soon," explained investigator Garth Illingworth of the University of California, Santa Cruz.

These findings provide a tantalizing preview of the observations that the James Webb Space Telescope will perform after it is launched into space in 2018. "Hubble and Spitzer are already reaching into Webb territory," Oesch said. "This new discovery shows that the Webb telescope will surely find many such young galaxies reaching back to when the first galaxies were forming," added Illingworth.

This discovery also has important consequences for NASA's planned Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), which will have the ability to find thousands of such bright, very distant galaxies.

The team's findings will appear in the March 8, 2016, edition of The Astrophysical Journal.

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202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

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410-338-4488 / 410-338-4514
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Pascal Oesch
Yale University, New Haven, Connecticut
203-436-9476
pascal.oesch@yale.edu

Gabriel Brammer
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-2447
brammer@stsci.edu

Garth Illingworth
University of California, Santa Cruz, California
831-459-2843
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