MACS J0416.1-2403과 MACS J0717.5+3745

 

Credit: NASA, ESA, CXC, NRAO/AUI/NSF, STScI, R. van Weeren (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), and G. Ogrean (Stanford University),  Acknowledgment: NASA, ESA, J. Lotz (STScI), and the HFF team

 

은하단은 수백 수천개의 은하들이 몰려 있는 거대한 은하 집합체이며 거대한 질량을 가진 암흑물질의 구름 속에 파묻힌 광활한 뜨거운 가스의 저장소이기도 하다.
암흑물질이란 일체의 빛을 복사하거나 흡수하지 않아 눈에 보이지는 않지만 중력 효과를 통해 그 존재가 감지되는 물질이다.

 

은하단이라는 이 우주의 거대 천체는 단순히 크기나 거대한 둘레치수로만 의미가 있는 것은 아니다.
은하단은 우리 우주가 과거 어떻게 진화해 왔는지 그리고 우리의 우주가 앞으로 어떤 방향을 향해 나아가게 될지를 이해할 수 있는 중요한 경로를 제공해주기도 한다.

어떻게 은하단이 충돌을 통해 몸집을 키워가는지를 포함하여 은하단에 대해 보다 더 많은 것을 알기 위해 천문학자들은 세상에서 가장 강력한 망원경을 이용하여 서로 다른 유형의 빛을 수집하고 있다.

과학자들은 현재 약 다섯 개의 거대 은하단에 대해 오랜 시간동안 관측을 지속하고 있다.

은하단을 탐사하고 있는 이 프로젝트의 이름은 "프론티어 필드(Frontier Fields)"이다.

 

프론티어 필드 프로젝트에서 관측하고 있는 두 개의 은하단인 MACS J0416.1-2403 (약자 MACS J0416) 은하단의 사진이 오른쪽에,  

그리고 MACS J0717.5+3745 (약자 MACS J0717) 은하단의 사진이 왼쪽에 담겨 있다.
이 사진은 여러 파장을 이용하여 촬영한 이들 은하단의 모습이다.

 

지구로부터 43억 광년 거리에 위치하고 있는 MACS J0416.1-2403 은하단은 한 쌍의 은하단이 충돌하고 있는 은하단으로서 그 결과 훨씬 더 큰 은하단 하나가 만들어지게 될 것이다.

 

가장 복잡하고 뒤틀린 구조를 한 은하단 중 하나로 유명한 MACS J0717.5+3745 은하단은 네 개 은하단이 충돌하면서 만들어진 은하단이다.

이 은하단은 지구로부터 54억 광년 거리에 위치하고 있다.

 

MACS J0416.1-2403 과 MACS J0717.5+3745 를 촬영한 이 사진은 세 개의 망원경이 촬영한 데이터를 이용하여 만들어진 것으로
NASA의 찬드라 X선 망원경(희미한 파란색 복사선을 표시하고 있음)과 허블우주망원경(빨간색, 초록색, 파란색), 그리고 국립과학재단의 칼 G. 얀스키 초대형 배열(희미한 분홍색 복사)이 바로 그것이다.

 

X선과 라디오파 복사가 중첩된 곳은 보라색으로 표현되어 있다.

 

천문학자들은 또한 인도의 거대미터파장전파망원경(the Giant Metrewave Radio Telescope)의 데이터를 이용하여 MACS J0416.1-2403의 속성을 연구하고 있다.

 

찬드라 X선 망원경을 이용하여 획득한 데이터는 은하단 내에서 충돌이 진행중인 가스의 온도가 수백만 도에 달하고 있음을 보여주고 있다.

 

허블우주망원경의 데이터는 은하단 내부와 은하단 뒤로 훨씬 더 멀리 떨어져 있는 여러 은하들의 모습을 보여주고 있다.

이 배경의 은하들 중 몇몇은 거대한 질량을 가진 물체에 의해 빛이 휘는 중력 렌즈 작용에 의해 상당히 뒤틀린 모습을 보여주고 있기도 하다.

 

이러한 효과는 또한 배경에 멀리 존재하는 은하의 빛을 확대시켜주기도 하는데, 그 결과 천문학자들은 중력 렌즈 효과가 없었다면 볼 수 없었을 이 머나먼 은하들을 연구할 수 있게 되었다.

마지막으로 라디오파를 통해 나타난 구조는 거대한 충격파와 폭풍을 쫓아갈 수 있는 단서를 준다.

이 충격파는 음속 폭음과 유사한 것으로 은하단 간의 충돌 와중에 생성되는 것이다. 

 

MACS J0416.1-2403 과 MACS J0717.5+3745 에 대한 다파장 연구를 통해 도출된 연구 결과는 두 개의 논문으로 발표되었으며 여기에는 아래와 같은 내용이 포함되어 있다.

 

 

Credit: NASA, ESA, CXC, NRAO/AUI/NSF, STScI, and R. van Weeren (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Acknowledgment: NASA, ESA, J. Lotz (STScI), and the HFF team

 

MACS J0416.1-2403

 

MACS J0416.1-2403 에 대해 천문학자들에게 제기된 의문은 이 은하단이 지금 현재 충돌이 진행중인 것인지, 아니면 이미 충돌이 발생한 은하단인지에 대한 것이었다.

 

아직까지 과학자들은 충돌이 진행중인 은하단과 충돌이 이미 발생한 은하단을 구분하지 못하고 있다.

그러나 이제 다양한 관측기기를 이용한 관측은 이에 대한 새로운 답을 제공해주고 있다.

 

MACS J0416.1-2403 내의 암흑물질( 이 물질은 가시광선에서 중력의 영향에 따른 흔적을 남겨놓고 있다.)과 찬드라 X선 망원경에 의해 감지된 뜨거운 가스가 서로에 대해 정돈된 정렬 양상을 보여주고 있었다.

이러한 사실은 지금 우리가 충돌이 발생하기 전 은하단의 모습을 포착한 것임을 말해주는 결과이다.

 

만약 이 은하단이 충돌 이후에 관측된 것이라면 그 유명한 충돌 은하단인 총알 은하단에서 보이는 것과 같이 암흑물질과 뜨거운 가스가 서로 완전히 분리된 모습을 보여주고 있었을 것이다. (참고 : 총알은하단)

 

은하단의 상단 왼쪽에는 고밀도로 몰려 있는 뜨거운 가스의 중심부가 자리잡고 있다.

이 뜨거운 가스의 중심부는 특별하게 후처리된 사진에서 가장 쉽게 눈에 띄는 구조이다.
또한 그 주변에는 가스에서 복사되는 X선의 증거를 알려주는 텅빈 지역이 보인다.

이 구조 역시 아직 이 은하단이 충돌이 진행되지 않았음을 말해주는 증거이다.
만약 충돌이 있었다면 이 구조 역시 심하게 뒤틀려 있었을 것이다.

 

마지막으로 라디오 파에서 나타나는 고해상도 구조의 결핍 역시 은하단에 충돌이 발생하지 않았음을 말해주는 증거가 된다.

 

천문학자들은 은하단의 하단 우측 남쪽 모서리에서 발생하는 밀도의 변화에 주목하고 있다.

이 밀도 변화는 이 은하단과 하단 오른쪽에 훨씬 멀리 떨어져 있는 무거운 구조간의 충돌에 의해 발생했을 것으로 추정되고 있다.

 

 

 

Credit: NASA, ESA, CXC, NRAO/AUI/NSF, STScI, and G. Ogrean (Stanford University),  Acknowledgment: NASA, ESA, J. Lotz (STScI), and the HFF team

 

MACS J0717.5+3745

 

이 은하단을 촬영한 얀스키 초대형 배열 사진에서는 중력 렌즈에 의해 나타난 7개의 천체가 관측되었다.

이로서 MACS J0717.5+3745 은하단은 가장 많은 중력렌즈현상을 만들어낸 라디오파 천체로 알려지게 되었다.

 

중력렌즈에 의해 모습을 드러낸 천체 중 2개는 찬드라 X선 망원경의 사진에서도 그 모습을 드러냈다.

저자들은 은하단 뒤쪽에서 중력렌즈현상을 통해 발견한 X선 천체는 단 두 개 뿐이었다고 기록하고 있다.

중력렌즈를 통해 식별해낸 라디오파 복사 천체는 지구로부터 78억 광년 및 104억 광년 거리에 위치하는 은하들이었다.

이 은하들이 라디오 파장에서 나타내는 밝기는 이들이 매우 높은 비율로 새로운 별들을 만들어내는 지역을 품고 있음을 말해주고 있다.

이 은하들은 중력렌즈 현상을 통한 빛의 확대 없이 일반적인 전파 관측만을 사용해서는 절대 발견되지 않았을 것이다.

 

찬드라 X선 망원경에 포착된 두 개의 X선 천체는 그 중심에 활동성 은하핵을 가지고 있는 은하일 것으로 생각되고 있다.

활동성 은하핵이란 그 중심에 초거대질량의 블랙홀이 있고 이 블랙홀을 향해 가스가 추락하는 와중에 수백만도로 가열되면서 그 결과 매우 밝게 빛나는 은하핵이 나타나는 은하이다.

 

이 두 개의 X선 은하는 중력렌즈 작용 없이도 감지는 되었겠지만 그 밝기는 현재보다 2~3배 정도 더 희미했을 것이다.

 

MACS J0717.5+3745 에서 복사되는 거대한 라디오파 아치는 MACS J0416.1-2403에서 나타나는 복사와는 사뭇 다르다.
이는 MACS J0717.5+374 은하단이 이전에 이미 여러 충돌을 통해 발생한 충격파를 가지고 있기 때문에 나타나는 차이이다.

 

MACS J0717.5+3745의 X선 복사는 훨씬 더 헝클어진 모습을 보여주는데 이 역시 4개의 은하단이 파괴적인 충돌에 참여하고 있기 때문이다.

 

MACS J0416.1-2403에 대한 작업을 이끈 하바드-스미스소니언 천체물리 센터 조지아나 오그리언(Georgiana Ogrean)은 현재 스탠포드 대학에 몸담고 있다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 2015년 10월 20일 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었으며 온라인에서는 현재도 조회가 가능하다.

MACS J0717.5+3745 은하단에 대한 연구는 하바드-스미스소니언 천체물리학 센터의 라이노우트 반 비렌(Reinout van Weeren)이 이끌었으며 그 연구 결과는 2016년 2월 1일 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었다.
이 논문 역시 현재 온라인에서 조회가 가능하다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 3월 10일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/08/

 

참고 : ACS J0416.1-2403 과 MACS J0717.5+3745를 포함한 각종 은하단 및 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

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-08

Telescopes Combine to Push Frontier on Galaxy Clusters

ABOUT THIS IMAGE:

Galaxy clusters are enormous collections of hundreds or even thousands of galaxies and vast reservoirs of hot gas embedded in massive clouds of dark matter, invisible material that does not emit or absorb light, but can be detected through its gravitational effects. These cosmic giants are not merely novelties of size or girth — rather they represent pathways to understanding how our entire universe evolved in the past and where it may be heading in the future.

To learn more about clusters, including how they grow via collisions, astronomers have used some of the world's most powerful telescopes, looking at different types of light. They have focused long observations with these telescopes on a half-dozen galaxy clusters. The name for the galaxy cluster project is the "Frontier Fields."

Two of these Frontier Fields galaxy clusters, MACS J0416.1-2403 (abbreviated MACS J0416) on the right panel and MACS J0717.5+3745 (MACS J0717 for short) on the left panel, are featured here in a pair of multiwavelength images.

Located about 4.3 billion light-years from Earth, MACS J0416 is a pair of colliding galaxy clusters that will eventually combine to form an even bigger cluster. MACS J0717, one of the most complex and distorted galaxy clusters known, is the site of a collision between four clusters. It is located about 5.4 billion light-years away from Earth.

These new images of MACS J0416 and MACS J0717 contain data from three different telescopes: NASA's Chandra X-ray Observatory (diffuse emission in blue), Hubble Space Telescope (red, green, and blue), and the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (diffuse emission in pink). Where the X-ray and radio emission overlap the image appears purple. Astronomers also used data from the Giant Metrewave Radio Telescope in India in studying the properties of MACS J0416.

The Chandra data show gas in the merging clusters with temperatures of millions of degrees. The Hubble data show galaxies in the clusters and other, more distant, galaxies lying behind the clusters. Some of these background galaxies are highly distorted because of gravitational lensing, the bending of light by massive objects. This effect can also magnify the light from these objects, enabling astronomers to study background galaxies that would otherwise be too faint to detect. Finally, the structures in the radio data trace enormous shock waves and turbulence. The shocks are similar to sonic booms, generated by the mergers of the clusters.

New results from multiwavelength studies of MACS J0416 and MACS J0717, described in two separate papers, are included below.

MACS J0416:

An open question for astronomers about MACS J0416 has been: Are we seeing a collision in these clusters that is about to happen or one that has already taken place? Until recently, scientists have been unable to distinguish between these two explanations. Now, the combined data from these various telescopes are providing new answers.

In MACS J0416 the dark matter (which leaves its gravitational imprint in the optical data) and the hot gas (detected by Chandra) line up well with each other. This suggests that the clusters have been caught before colliding. If the clusters were being observed after colliding the dark matter and hot gas should separate from each other, as seen in the famous colliding cluster system known as the Bullet Cluster.

The cluster in the upper left contains a compact core of hot gas, most easily seen in a specially processed image, and also shows evidence of a nearby cavity, or hole in the X-ray-emitting gas. The presence of these structures also suggests that a major collision has not occurred recently, otherwise these features would likely have been disrupted. Finally, the lack of sharp structures in the radio image provides more evidence that a collision has not yet occurred.

In the cluster located in the lower right, the observers have noted a sharp change in density on the southern edge of the cluster. This change in density is most likely caused by a collision between this cluster and a massive structure located further to the lower right.

MACS J0717:

In Jansky Very Large Array images of this cluster, seven gravitationally lensed sources are observed, all point sources or sources that are barely larger than points. This makes MACS J0717 the cluster with the highest number of known lensed radio sources. Two of these lensed sources are also detected in the Chandra image. The authors are only aware of two other lensed X-ray sources behind a galaxy cluster.

All of the lensed radio sources are galaxies located between 7.8 billion and 10.4 billion light-years away from Earth. The brightness of the galaxies at radio wavelengths shows that they contain stars forming at high rates. Without the amplification by lensing, some of these radio sources would be too faint to detect with typical radio observations. The two lensed X-ray sources detected in the Chandra images are likely active galactic nuclei (AGN) at the center of galaxies. AGN are compact, luminous sources powered by gas heated to millions of degrees as it falls toward supermassive black holes. These two X-ray sources would have been detected without lensing, but would have been two or three times fainter.

The large arcs of radio emission in MACS J0717 are very different from those in MACS J0416 because of shock waves arising from the multiple collisions occurring in the former object. The X-ray emission in MACS J0717 has more clumps because there are four clusters violently colliding.

Georgiana Ogrean, who was at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics while leading the work on MACS J0416, is currently at Stanford University. The paper describing these results was published in the October 20, 2015, issue of The Astrophysical Journal and is available online. The research on MACS J0717 was led by Reinout van Weeren from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and was published in the February 1, 2016, issue of The Astrophysical Journal, which is available online.

For additional information, contact:

Megan Watzke
Chandra X-ray Center, Cambridge, Massachusetts
617-496-7998
mwatzke@cfa.harvard.edu

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

Object Names: MACS J0717.5+3745, MACS J0416.1-2403

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, CXC, NRAO/AUI/NSF, STScI, R. van Weeren (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), and G. Ogrean (Stanford University)

Acknowledgment: NASA, ESA, J. Lotz (STScI), and the HFF team