SXDF-NB1006-2 : ALMA가 가장 머나먼 거리의 산소를 탐지해내다.

 

Credit:NAOJ

 

그림 1> 이 그림은 138억년 전 빅뱅 이후 우주의 진화과정에서 발생한 주요한 사건들을 묘사하고 있다.

이 그림은 축적에 맞추어 표현된 것은 아니다.

빅뱅 이후 40만 년이 지난 우주는 중성 상태였다. 
그리고 이러한 상태는 첫 세대의 별들이 탄생하여 수소를 이온화시킬때가지 지속되었다.

이로부터 수억 년이 지난 후 우주의 모든 가스의 이온화가 완료되었다.

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 ALMA를 이용하여 빅뱅 이후 고작 7억년 밖에 되지 않은 시점에 존재했던 머나먼 은하에서 불꽃을 내며 타오르고 있는 산소의 존재를 감지해냈다.

이번 발견은 확실하게 산소를 감지한 연구로서는 가장 머나먼 은하를 대상으로 이루어진 것이며, 이 산소는 갓 태어난 큰별로부터 쏟아져나오는 강력한 복사에 의해 이온화 되었을 가능성이 상당한 것으로 추정된다.

이 은하는 우주 역사의 초기 시대에 발생한 재이온화를 촉발시킨 특정 유형 중 하나일 가능성이 있다.

일본과 스웨덴, 영국과 ESO의 천문학자들이 함께 ALMA를 이용하여 가장 머나먼 은하중 하나에 대한 관측을 진행했다.

SXDF-NB1006-2 라는 이름의 이 은하는 적색편이 7.2로서 이는 이 은하가 빅뱅이후 7억년에 존재하는 은하임을 의미한다.

 

연구팀은 이 은하에서 오늘날의 은하에서 관측할 수 있는 무거운 화학 원소들을 발견하기를 희망했다.[1]
이 정보는 당시 별 탄생의 수준을 말해줄 수 있는 단서이며 따라서 우주의 재이온화시기로 알려져 있는 초기 우주의 역사에 대한 단서를 제공해 줄 수 있는 정보이기도 하다.
 

사이언스 저널에 개재된 이번 논문의 주저자인 오사카 산업대학 아키오 이노우에(Akio Inoue)의 설명은 다음과 같다.
"초기 우주에서 무거운 원소를 찾아내는 것은 이 시기 별의 생성활동에 접근하는데 기반이 되는 정보가 됩니다. 

 이 연구는 또한 우주가 어떻게 생성되었으며 무엇이 우주의 재이온화를 촉발시켰는지를 이해하는 데 있어서도 중요한 단서를 제공해 준답니다."
 

우주에서 어떤 물체가 형성되기 전에 우주는 전기적으로 중성인 가스에 의해 가득차 있었다.

그러나 빅뱅이후 수억년이 흐르고 첫번째 천체가 빛을 내기 시작하면서 이로부터 쏟아져나온 강력한 복사가 중성 원자를 깨뜨려 가스를 이온화 시키게 되었다.

우주의 재이온화기간으로 알려진 이 기간동안 우주는 드라마틱하게 변화되었다.

 

그러나 과연 정확히 어떤 종류의 천체가 재이온화를 촉발시켰는지에 대해서는 상당히 많은 논쟁이 진행중이다.

상당히 멀리 떨어져 있는 은하의 상태를 연구하는 것은 이러한 질문의 답을 찾는데 도움이 될 수 있다.

 

머나먼 은하를 관측하기 전에 과학자들은 이온화 산소의 증거를 어떻게하면 ALMA로 쉽게 찾아볼 수 있을지를 알아내기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하였다.

또한 연구원들은 지구에서 비교적 가까운 거리에 있는, 관측 대상으로 선정된 은하와 유사한 은하에 대한 관측을 진행하여 아무리 멀리 떨어져 있는 거리라 할 지라도 산소 복사를 감지해낼 수 있다는 결론을 우선 도출하였다.[2]

 

그후 과학자들은 ALMA를 이용한 고감도 관측을 진행하였고[3] SXDF-NB1006-2에서 이온화 산소의 빛을 발견하였다.
이로서 SXDF-NB1006-2은하는 지금까지 산소복사가 확실하게 감지된 은하로서는 가장 멀리 떨어져 있는 은하가 되었다.[4]

또한 이 은하는 빅뱅 이후 고작 7억년 밖에 되지 않은 초기 우주에 이미 산소가 존재함을 말해주는 확실한 증거가 되었다.

 

 

Credit : NAOJ

 

사진 1> 오른쪽 사진 : 사진 한가운데 있는 붉은 은하가 SXDF-NB1006-2이다.
         왼쪽 사진 : SXDF-NB1006-2를 확대한 것이다.

 

SXDF-NB1006-2에 있는 산소의 밀도는 태양과 대비해서 10배 정도 희박한 수준이다.

 

도쿄 대학 나오키 요시다( Naoki Yoshida)의 설명은 다음과 같다.
"이처럼 산소의 양이 많지 않은 것은 이미 예견된 일입니다.

 왜냐하면 당시 우주는 여전히 탄생된지 얼마 안되는 상태였고, 별의 생성 역사도 그리 길지 않기 때문입니다.
 우리가 앞서 진행한 시뮬레이션에 따르면 산소의 양이 태양에 존재하는 산소의 양 대비 10% 수준밖에 되지 않을 것이라고 이미 예측되었습니다.
 그런데 이번 관측을 통해 예상치 못한 또 하나의 결과도 얻을 수 있었죠.

 대단히 적은 양의 먼지가 함께 발견되었다는 것이 그것입니다."
 

연구팀은 이 은하에서 일체의 탄소 복사를 감지해 낼 수는 없었다.
이러한 사실은 이 어린 은하가 이온화 되지 않은 수소를 대단히 적게 가지고 있음을 말해주는 것이다.
또한 이 은하에서는 무거운 원소로 만들어진 매우 적은 양의 먼지가 발견되었다.

이노우에는 뭔가 이 은하에 독특한 일이 발생했을 것이며 이 은하의 모든 가스가 대단히 심하게 이온화 되었을 것으로 생각된다고 말했다.

 

Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ

 

사진 2> ALMA가 감지한 이온화 산소의 빛이 초록색으로 표시되어 있다.

쓰바루 빛통이 감지한 이온화 수소의 빛과 영국 적외선빛통(the UK Infrared Telescope, UKIRT) 이 감지한 자외선은 각각 파란색과 붉은색으로 표시되어 있다.

 

 

Credit:NAOJ

 

그림 2> 은하 내에 수많은 밝은 별들이 있고, 은하의 안쪽과 주위로 이온화된 가스가 가득차 있다.

초록색은 ALMA가 탐지해낸 이온화 산소이며 보라색은 쓰바루빛통이 탐지해낸 이온화 수소의 분포를 나타낸다.

 

 

이온화 산소의 감지가 말해주는 또 하나의 사실은 대단히 찬란하게 빛나는 수많은 별들이 존재했을 것이라는 점이다.
이 별들의 질량은 태양 질량의 수십배 정도 수준이었을 것이며 은하 내에서 만들어져 산소 원자의 이온화가 필요한 강력한 자외선을 복사해내었을 것이다.

은하에서 먼지의 결핍은 강력한 자외선 복사의 탈출을 수월하게 만들게 되며,  그 결과 은하 외곽에 있는 상당히 많은 양의 가스를 이온화시킨다.

 

이노우에는 SXDF-NB1006-2가 우주의 재이온화를 촉발시킨 전형적인 원천의 하나일 가능성이 있다고 말했다.

 
도쿄 대학 요이치 타무라(Yoichi Tamur)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 우주의 재이온화를 촉발시킨 천체가 어떤 종류의 천체인지를 이해하는데 있어 중요한 발걸음에 해당합니다.
ALMA를 이용한 우리의 다음 관측은 이미 시작되었습니다.
더 높은 고분해능을 이용한 관측은 이 은하에서 이온화된 산소의 분포와 움직임을 알 수 있도록 해 줄 것이며, 이 은하의 속성을 이해하는데 필수적인 정보를 제공해줄 것입니다."
 

 

각주

[1] 리튬보다 무거운 화학 원소들을 천문학적 용어로서는 무거운 원소라고 부른다.

[2] 일본의 적외선 천문위성인 AKARI가 대마젤란 은하에서 산소 복사가 대단히 밝게 발생하고 있다는 것을 알아냈다.
이 은하의 환경은 초기 우주에 존재하던 은하의 환경과 유사하다.

 

[3] 이중 이온화가 된 산소로부터 방출된 원래 파장은 0.088밀리미터이다. 

그러나 SXDF-NB1006-2의 복사선은 우주의 팽창에 영향을 받아 0.725밀리미터까지 늘어났다.
바로 이 파장이 ALMA에 의해 탐지된 것이다.

 

[4] 핀클슈타인( Finkelstein )과 그의 동료들이 진행한 이전 연구에서 이보다 약간 이른 시기의 산소의 존재를 제시한 바 있다.
그러나 해당 연구는 이번 연구와는 달리 복사선에 대한 직접적인 탐지 증거는 존재하지 않았다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 6월 16일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1620/        

 

참고 : 우주의 재이온화 등 우주론에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979
      
참고 : SXDF-NB1006-2와 같은 원시 은하 등 은하 및 은하단에 대한 각종 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>

eso1620 — Science Release

ALMA Observes Most Distant Oxygen Ever

16 June 2016

A team of astronomers has used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to detect glowing oxygen in a distant galaxy seen just 700 million years after the Big Bang. This is the most distant galaxy in which oxygen has ever been unambiguously detected, and it is most likely being ionised by powerful radiation from young giant stars. This galaxy could be an example of one type of source responsible for cosmic reionisation in the early history of the Universe.

Astronomers from Japan, Sweden, the United Kingdom and ESO have used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to observe one of the most distant galaxies known. SXDF-NB1006-2 lies at a redshift of 7.2, meaning that we see it only 700 million years after the Big Bang.

The team was hoping to find out about the heavy chemical elements [1] present in the galaxy, as they can tell us about the level of star formation, and hence provide clues about the period in the history of the Universe known as cosmic reionisation.

“Seeking heavy elements in the early Universe is an essential approach to explore the star formation activity in that period,” said Akio Inoue of Osaka Sangyo University, Japan, the lead author of the research paper, which is being published in the journal Science. “Studying heavy elements also gives us a hint to understand how the galaxies were formed and what caused the cosmic reionisation,” he added.

In the time before objects formed in the Universe, it was filled with electrically neutral gas. But when the first objects began to shine, a few hundred million years after the Big Bang, they emitted powerful radiation that started to break up those neutral atoms — to ionise the gas. During this phase — known as cosmic reionisation — the whole Universe changed dramatically. But there is much debate about exactly what kind of objects caused the reionisation. Studying the conditions in very distant galaxies can help to answer this question.

Before observing the distant galaxy, the researchers performed computer simulations to predict how easily they could expect to see evidence of ionised oxygen with ALMA. They also considered observations of similar galaxies that are much closer to Earth, and concluded that the oxygen emission should be detectable, even at vast distances [2].

They then carried out high-sensitivity observations with ALMA [3] and found light from ionised oxygen in SXDF-NB1006-2, making this the most distant unambiguous detection of oxygen ever obtained [4]. It is firm evidence for the presence of oxygen in the early Universe, only 700 million years after the Big Bang.

Oxygen in SXDF-NB1006-2 was found to be ten times less abundant than it is in the Sun. “The small abundance is expected because the Universe was still young and had a short history of star formation at that time,” commented Naoki Yoshida at the University of Tokyo. “Our simulation actually predicted an abundance ten times smaller than the Sun. But we have another, unexpected, result: a very small amount of dust.”

The team was unable to detect any emission from carbon in the galaxy, suggesting that this young galaxy contains very little un-ionised hydrogen gas, and also found that it contains only a small amount of dust, which is made up of heavy elements. “Something unusual may be happening in this galaxy,” said Inoue. “I suspect that almost all the gas is highly ionised.”

The detection of ionised oxygen indicates that many very brilliant stars, several dozen times more massive than the Sun, have formed in the galaxy and are emitting the intense ultraviolet light needed to ionise the oxygen atoms.

The lack of dust in the galaxy allows the intense ultraviolet light to escape and ionise vast amounts of gas outside the galaxy. “SXDF-NB1006-2 would be a prototype of the light sources responsible for the cosmic reionisation,” said Inoue.

“This is an important step towards understanding what kind of objects caused cosmic reionisation,” explained Yoichi Tamura of the University of Tokyo. “Our next observations with ALMA have already started. Higher resolution observations will allow us to see the distribution and motion of ionised oxygen in the galaxy and provide vital information to help us understand the properties of the galaxy.”

Notes

[1] In astronomical terminology, chemical elements heavier than lithium are known as heavy elements.

[2] The Japanese infrared astronomy satellite AKARI had found that this oxygen emission is very bright in the Large Magellanic Cloud, which has an environment similar to the early Universe.

[3] The original wavelength of the light from doubly ionised oxygen is 0.088 millimetres. The wavelength of the light from SXDF-NB1006-2 is stretched to 0.725 millimetres by the expansion of the Universe, making the light observable with ALMA.

[4] Earlier work by Finkelstein et al. suggested the presence of oxygen at a slightly earlier time, but there was no direct detection of an emission line, as is the case in the new work.

More information

This research was presented in the paper entitled: “Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch” by Inoue et al., published in the journal Science.

The team is composed of: Akio Inoue (Osaka Sangyo University, Japan), Yoichi Tamura (The University of Tokyo, Japan), Hiroshi Matsuo (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Ken Mawatari (Osaka Sangyo University, Japan), Ikkoh Shimizu (Osaka University, Japan), Takatoshi Shibuya (University of Tokyo, Japan), Kazuaki Ota (University of Cambridge, United Kingdom), Naoki Yoshida (University of Tokyo, Japan), Erik Zackrisson (Uppsala University, Sweden), Nobunari Kashikawa (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kotaro Kohno (University of Tokyo, Japan), Hideki Umehata (ESO, Garching, Germany; University of Tokyo, Japan), Bunyo Hatsukade (NAOJ, Japan), Masanori Iye (NAOJ, Japan), Yuichi Matsuda (NAOJ/Graduate University for Advanced Studies, Japan), Takashi Okamoto (Hokkaido University, Japan) and Yuki Yamaguchi (University of Tokyo, Japan).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of 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.

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

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Osaka, Japan
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