ALAM의 중력렌즈 사진에 숨겨져 있던 난쟁이암흑은하

 

Credit: Y. Hezaveh, Stanford Univ.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope

 

사진 1> 중력렌즈 SDP.81에 대한 이 합성사진은 훨씬 멀리 떨어진 은하를 촬영한 ALMA의 사진(빨간색 아치)과 허블우주망원경이 가시광선으로 촬영한 렌즈 작용을 하고 있는 은하의 사진(파란색의 가운데 천체)을 합성한 것이다.

이 고리가 구부러진 정도를 분석함으로써 천문학자들은 약 40억 광년 거리에 암흑난쟁이은하가 숨어 있다는 사실을 확정할 수 있었다.
(분석 데이터는 이 암흑난쟁이은하의 위치로 왼쪽 하단 아치 부근에 하얀색 점이 있는 지점을 지목하고 있다. )

 

ALMA가 중력렌즈를 이용하여 촬영한  SDP.81의 사진에 나타난 미묘한 뒤틀림이 바로, 40억 광년 거리에서 중력렌즈작용을 하는 은하의 헤일로에 숨어 있는 난쟁이암흑은하의 존재를 말해주는 단서였다.

 

이번 발견은 비슷한 천체들을 더 많이 발견할 수 있도록 ALMA에게 길을 터주는 것으로서 천문학자들이 암흑물질의 본성에 대한 답을 구하는데 도움이 될 수 있을 것이다.

 

2014년 ALMA의 장기선캠페인의 일환으로 천문학자들은 ALMA의 새로운 고해상도 성능을 테스트하기 위해 다양한 천체들에 대한 연구를 진행한 바 있다.

 

이러한 실험적 사진들 중 하나가 아인슈타인의 고리를 촬영한 것으로서 이는 앞쪽에 위치하고 있는 무거운 은하가 120억 광년 거리의 또다른 은하로부터 복사된 빛을 구부려서 만들어낸 것이었다.

 

중력렌즈현상이라 불리는 이 현상은 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 예견된 것으로서 중력렌즈의 도움없이는 너무나 멀어서 관측이 불가능한 은하를 연구하는데 있어 강력한 수단을 제공해주는 현상이다.

또한 머나먼 천체들로부터 발생한 빛을 왜곡시키거나 빛을 모으게 하는 특성을 통해 중력렌즈 작용을 하는 은하의 속성도 파악할 수 있다.

천체물리학저널(the Astrophysical Journal)에 개재가 허락된 새로운 논문에서 스탠포드 대학의 천문학자 야사르 헤자베(Yashar Hezaveh)와 그의 연구팀은 이미 널리 알려진 이 사진에서 어떻게 세밀한 분석을 통해 숨겨진난쟁이 암흑은하의 흔적을 발견할 수 있었는지를 설명하고 있다.

 

헤자베의 설명은 다음과 같다.
"우리가 이 눈에 보이지 않는 천체를 발견한 것은 물방울이 맺힌 창문을 바라보는 것과 동일한 방법을 이용해서였습니다.
사람들은 이 물방울들이 그 뒤에 있는 물체의 모습을 왜곡해서 보여준다는 것을 이미 알고 있죠."

 

빗방울의 경우 상의 왜곡을 만드는 것은 굴절 때문이다.

이 사진에서 그 왜곡은 암흑물질의 중력적 영향에 의해 만들어진다.

 

현대 이론에 따르면 우주에 존재하는 질량의 80%는 암흑물질이 차지하고 있다.

이 암흑물질은 아직 그 존재가 규명되지 않은 입자로 만들어진 것이며 가시광선을 비롯한 어떤 형태의 전자기 복사와도 상호작용을 하지 않는다.

그러나 암흑물질은 측정가능한 질량을 가지고 있기 때문에 중력적 영향을 통해 그 정체를 식별할 수 있다.

 

암흑물질의 분석을 위해 과학자들은 국립과학재단의 가장 강력한 슈퍼컴퓨터인 블루 워터(Blue Waters)를 포함한 수천대의 컴퓨터를 이용하여 수주 동안 동시 연산을 진행한다.
그리고 이를 통해 각 라디오 파 대역에서 일관적이고 측정가능한 대응값에 나타나는 미묘한 변형을 규명하게 된다.  

이처럼 서로 연결된 커퓨터를 이용하여 과학자들은 중력렌즈 작용을 하는 은하의 헤일로에 대해 예전에는 전혀 알지 못했던 새로운 이해의 조각을 짜맞출 수 있었다.
은하의 헤일로는 은하를 둘러싼 희미하고 별들이 거의 존재하지 않는 지역인데 여기서 미리내 질량의 1000분의 1정도에 약간 미치지 못하는 질량을 가진 명백한 덩어리가 발견되었다.

 

은하의 크기가 크면 클수록 추정 질량에서 눈에는 보이지 않는 부분들에 대한 상관관계가 존재하기 때문에 천문학자들은 이러한 중력 변형이
중력렌즈 작용을 하는 은하의 주변을 감싸고 있는 극단적으로 희미한 암흑물질때문에 생기는 것으로 추정하고 있다.

이론적 예측에 따르면 대부분의 은하들은 고만고만한 난쟁이 은하들이나 또 여러 동반 천체들을 거느리고 있다고 한다.

그러나 이 동반 천체들을 감지해내는 것은 매우 어렵다.

심지어 미리내 주변에서도 수천개의 위성 천체가 예측됨에도 불구하고 천문학자들이 식별할 수 있는 대상은 40개에 지나지 않는 상황이다.

 

연구팀의 일원인 일리노이 대학의 닐 달랄(Neal Dalal)의 설명은 다음과 같다.
"관측된 위성 천체와 예견된 위성 천체간의 불일치 양상은 거의 20여년간 지속되고 있는 우주론의 주요 문제점 중 하나이며, 심지어 몇몇 과학자들은 이를 우주론의 '위기'라고까지 말합니다.
만약 이들 난쟁이 천체들이 주로 암흑물질로 구성되어 있다면 이러한 불일치 양상을 설명해주는 단서가 되죠.
그렇다면 이를 통해 암흑 물질의 본성에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있게 될 것입니다.'
 

우주의 진화에 대한 컴퓨터 모델은 암흑물질의 '엉켜짐'을 측정함으로써 그 온도를 측정할 수 있음을 말해주고 있다.

따라서 멀리 떨어진 은하 주위에 있는 작은 암흑물질 덩어리들의 수를 셈으로써, 천문학자들은 이 암흑물질의 온도를 유추할 수 있다.
이는 우리 우주의 평활함에 대한 정보를 담은 매우 중요한 정보이다.

이번 논문의 공동저자인 아리조나대학 다니엘 머론(Daniel Marrone)은 다음의 사항을 강조하고 있다.
"만약 이들 헤일로를 이루는 천체들이 그저 간단하게 실제 그곳에 있는게 아니라면 현재 우리가 가지고 있는 암흑물질 모델은 절대 옳을 수가 없는 것이고  암흑물질 입자에 대해 우리가 이해하고 있다고 생각하는 것들은 완전히 뜯어고쳐야 할 것입니다." 

 

그러나 이번 연구가 말해주고 있는 것은 대부분의 난쟁이 은하들이 그저 단순히 보이지 않는 것 뿐이라는 점을 말해주고 있다.
왜냐하면 이들은 주로 눈에 보이지 않는 암흑물질들로 구성되어 있으며 복사해내는 빛이 있다 해도 극히 일부이기 때문이다.

 

연구팀의 일원인 캐나다 몬티리올 맥길 대학 길버트 홀더(Gilbert Holder)의 설명은 다음과 같다.
"우리의 현재 측정치는 차가운 암흑물질에 대한 예견치와 일치합니다.
 신뢰도를 높이기 위해 우리는 훨씬 더 많은 중력 렌즈를 살펴볼 필요가 있습니다."

 

헤자베의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측은 ALMA의 관측 능력을 보여주는 놀라운 결과입니다.
이제 우리는 ALMA가 효과적으로 이와 같은 난쟁이 은하들을 찾을 수 있을 것이라는 확신을 가지게 되었습니다.
우리의 다음 목표는 보다 많은 이와 같은 천체를 찾고 암흑물질입자의 존재를 말해주는 따뜻한 온도가 유지되는 지역을 규명해 낼 수 있는 이와 같은 천체들이 아주 많다는 점에 대해 합의를 이끌어내는 것입니다."

 

 

Credit: Y. Hezaveh, Stanford Univ.; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope

동영상> SDP.81에 대한 ALMA의 관측 데이터를 분석한 결과 중력렌즈 작용을 하는 은하의 헤일로 속에 흥미로운 천체가 있다는 점을 알게 되었다.
이 천체는 난쟁이암흑은하일 가능성이 있다.

 

 

인용출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 4월 16일자 
               https://public.nrao.edu/news/pressreleases/2016-sdp81-halo        

 

참고 : SDP.81을 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>

 

14 April 2016

Dwarf Dark Galaxy Hidden in ALMA Gravitational Lens Image

Subtle distortions hidden in ALMA’s stunning image of the gravitational lens SDP.81 are telltale signs that a dwarf dark galaxy is lurking in the halo of a much larger galaxy nearly 4 billion light-years away. This discovery paves the way for ALMA to find many more such objects and could help astronomers address important questions on the nature of dark matter.

In 2014, as part of ALMA’s Long Baseline Campaign, astronomers studied a variety of astronomical objects to test the telescope's new, high-resolution capabilities. one of these experimental images was that of an Einstein ring, which was produced by the gravity of a massive foreground galaxy bending the light emitted by another galaxy nearly 12 billion light-years away.

This phenomenon, called gravitational lensing, was predicted by Einstein’s general theory of relativity and it offers a powerful tool for studying galaxies that are otherwise too distant to observe. It also sheds light on the properties of the nearby lensing galaxy because of the way its gravity distorts and focuses light from more distant objects.

In a new paper accepted for publication in the Astrophysical Journal, astronomer Yashar Hezaveh at Stanford University in California and his team explain how detailed analysis of this widely publicized image uncovered signs of a hidden dwarf dark galaxy in the halo of the more nearby galaxy.

"We can find these invisible objects in the same way that you can see rain droplets on a window. You know they are there because they distort the image of the background objects,” explained Hezaveh. In the case of a rain drop, the image distortions are caused by refraction. In this image, similar distortions are generated by the gravitational influence of dark matter.

Current theories suggest that dark matter, which makes up about 80 percent of the mass of the Universe, is made of as-yet-unidentified particles that don’t interact with visible light or other forms of electromagnetic radiation. Dark matter does, however, have appreciable mass, so it can be identified by its gravitational influence.

For their analysis, the researchers harnessed thousands of computers working in parallel for many weeks, including the National Science Foundation's most powerful supercomputer, Blue Waters, to search for subtle anomalies that had a consistent and measurable counterpart in each "band" of radio data. From these combined computations, the researchers were able to piece together an unprecedented understanding of the lensing galaxy’s halo, the diffuse and predominantly star-free region around the galaxy, and discovered a distinctive clump less than one-thousandth the mass of the Milky Way.

Because of its relationship to the larger galaxy, estimated mass, and lack of an optical counterpart, the astronomers believe this gravitational anomaly may be caused by an extremely faint, dark-matter dominated satellite of the lensing galaxy. According to theoretical predictions, most galaxies should be brimming with similar dwarf galaxies and other companion objects. Detecting them, however, has proven challenging. Even around our own Milky Way, astronomers can identify only 40 or so of the thousands of satellite objects that are predicted to be present.

"This discrepancy between observed satellites and predicted abundances has been a major problem in cosmology for nearly two decades, even called a 'crisis' by some researchers," said Neal Dalal of the University of Illinois, a member of the team. "If these dwarf objects are dominated by dark matter, this could explain the discrepancy while offering new insights into the true nature of dark matter," he added.

Computer models of the evolution of the Universe indicate that by measuring the “clumpiness” of dark matter, it’s possible to measure its temperature. So by counting the number of small dark matter clumps around distant galaxies, astronomers can infer the temperature of dark matter, which has an important bearing on the smoothness of our Universe.

"If these halo objects are simply not there," notes co-author Daniel Marrone of the University of Arizona, "then our current dark matter model cannot be correct and we will have to modify what we think we understand about dark matter particles." 

This study suggests, however, that the majority of dwarf galaxies may simply not be seen because they’re mainly composed of invisible dark matter and emit little if any light. "Our current measurements agree with the predictions of cold dark matter," said team member Gilbert Holder of McGill University in Montreal, Canada. "In order to increase our confidence we will need to look at many more lenses."

"This is an amazing demonstration of the power of ALMA," said Hezaveh. "We are now confident that ALMA can efficiently discover these dwarf galaxies. Our next step is to look for more of them and to have a census of their abundance to figure out if there is any possibility of a warm temperature for dark matter particles."

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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Contact:
Charles Blue, NRAO Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu

Reference:
“Detection of Lensing Substructure Using ALMA Observations of the Dusty Galaxy SDP.81,” Yashar Hezaveh et al., 2016, Astrophysical Journal [http://apj.aas.org, preprint: http://arxiv.org/abs/1601.01388].

Notes:
The formal name of SDP.81 is HATLAS J090311.6+003906.

The team is composed of Yashar D. Hezaveh (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University), Neal Dalal (University of Illinois at Urbana-Champaign), Daniel P. Marrone (Steward Observatory, University of Arizona), Yao-Yuan Mao (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University), Warren Morningstar (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University), Di Wen (University of Illinois at Urbana-Champaign), Roger D. Blandford (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University), John E. Carlstrom (Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago), Christopher D. Fassnacht (Department of Physics, University of California), Gilbert P. Holder (Department of Physics, McGill University), Athol Kemball (University of Illinois at Urbana-Champaign), Philip J. Marshall (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Particle Physics and Astrophysics; SLAC National Accelerator Laboratory), Norman Murray (CITA, University of Toronto), Laurence Perreault Levasseur (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University), Joaquin D. Vieira (University of Illinois at Urbana-Champaign), and Risa H. Wechsler (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University). 

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.