COSMOS J100054 : 60억 광년의 거리에서 수소복사를 탐지하다.

 

CREDIT: Fernandez et al., Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF; Koekemoer et al., Massey et al., NASA.

 

사진1> 이 사진은 COSMOS J100054 은하에 대한 전파 사진이다.
배경은 허블우주망원경이 가시광선으로 촬영한 것이다.
주황색으로 나타나는 부분이 은하를 둘러싸고 있는 수소 원자로부터 발생하는 복사이다.

 

천문학자들이 국립과학재단 칼 G. 얀스키 초대형배열(Very Large Array, 이하 VLA)의 관측 능력을 이용하여 은하의 진화와 주위 환경과의 상호작용에 대한 연구의 새로운 지평을 열었다.

 

연구팀은 지구로부터 50억 광년 거리에 위치하는 은하에서 우주에서 가장 일반적으로 존재하는 원소인 수소원소로부터 복사되는 희미한 라디오파 복사를 포착해냈다.

 

뉴저지 주립대학 히메나 페르난데즈(Ximena Fernandez)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 이뤄낸 관측은 이와 동일한 종류의 관측으로는 기존 관측 대비 두 배나 먼 거리에 있는 은하에 대해 수행된 것입니다. 
이로서 은하가 진화하면서 어떻게 가스를 끌어들이고, 어떻게 이를 재처리하며, 또 어떻게 가스를 잃어버리게 되는지에 대한 새로운 통찰을 얻을 수 있게 되었습니다.
좀더 먼 거리를 관측한다는 것은 좀더 과거를 들여다볼 수 있음을 의미하는 것입니다.
따라서 VLA의 향상된 관측 성능은 은하의 진화에 대해 우리가 예전에는 전혀 알 수 없었던 정보를 얻게 해줄 것입니다."
 
과학자들이 수소의 라디오파 "지문"을 관측한 이 은하는 COSMOS J100054 라는 이름의 은하이다.

 

이 은하는 콜롬비아대학 재클린 반 고르콤(Jacqueline van Gorkom)이 이끈 첫번째 178시간 관측 프로그램인 COSMOS HI 거대외계은하 관측 프로그램(the COSMOS HI Large Extragalactic Survey, 이하 CHILES)을 통해 발견되었다.

CHILES 프로젝트는 최종적으로 VLA를 이용하여 1,000 시간 이상의 관측을 진행하게 될 예정이다.

 

이번 관측은 지난 2012년, 10년에 걸친 VLA의 업그레이드가 완료된 후, 한층 강화된 성능에 의해 가능했다.

국립전파천문대 엠마누엘 몸지안(Emmanuel Momjian)의 소감은 다음과 같다.
"VLA 업그레이드 와중에 설치된 새로운 전자 시스템이 이번 작업을 가능케한 핵심적인 부분입니다.
업그레이드가 없었다면 이번 발견은 불가능했을 거에요.
이번 관측은 은하의 진화에 대한 우리의 이해에 중요한 공헌을 만들어내는 등, 우리의 신념이 훨씬 더 많은 보답을 준다는 것을 말해주는 사례입니다."

 

수소 가스는 새로운 별을 만드는 원재료이다.
은하는 전 생애동안 가스를 끌어들여 별을 만들어낸다.
그러나 별의 생성 과정에서 만들어지는 맹렬한 폭발과 별폭풍, 초신성 폭발 등은 은하로부터 가스를 몰아내어 더 많을 별을 만드는데 필요한 물질을 강탈해 버리는 작용을 할 수 있다.

 

이러한 과정이 어떻게 진행되는지를 알기 위해 천문학자들은 서로 다른 나이대의 가까운 은하들과 그 은하들 내의 가스 상황을 알아야 할 필요가 있다.
그러나 지금까지는 전파망원경의 기술적 한계로 충분히 머나먼 거리의 은하들에서 발생하는 수소원자의 복사를 탐지하는데는 어려움이 있었다.

CHILES 프로젝트는 이러한 거리 한계를 60억 광년까지 확장시켰다.

 

COSMOS J100054 은하는 우주론적 진화 서베이(the Cosmological Evolution Survey, COSMOS)를 통해 다양한 망원경들이 광범이하게 조사한 하늘 구역에 자리잡고 있다.

 

COSMOS를 통해 획득한 데이터는 과학자들로 하여금 이 은하에 대한 또다른 정보들을 얻을 수 있도록 해주었다.

 

게다가 메사추세츠대학 김한성은 멕시코에 있는 거대밀리미터망원경을 이용하여 이 은하에서 일산화탄소를 감지하기도 했다.
일산화탄소의 존재는 이 은하가 개개의 원자보다는 분자 수준의 구성성분을 가지고 있음을 알려주는 핵심적인 정보이다.

또한 분자가스는 별 생성에 있어 반드시 필요한 전조로 간주된다.

 

과학자들은 COSMOS J100054 가 주변에 작은 동반은하를 거느린 무거운 질량의 막대나선은하임을 알아냈다.
태양 질량의 1천억배에 해당하는 수소를 가지고 있는 이 은하는 매년 대략 85개 태양질량에 해당하는 별들을 만들어내고 있다.

김한성의 설명은 다음과 같다.
"국부우주를 훨씬 넘어서는 영역에서 수소원자와 일산화탄소로부터 발생하는 복사를 동시에 관측할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다.
이러한 관측을 가능하게 해주는 기술과 함께 우리는 곧 특정 시기 은하의 속성에 대해 우리가 알고 있는 지식의 간극을 채울 수 있게 될 것입니다.
이건 정말 중요한 발전이죠."

 

이번 연구팀은 북미와 남미, 유럽, 아시아, 호주의 천문학자들로 구성되어 있으며 이번 논문은 천체물리학 저널에 개재되었다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 6월 2일자
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/hydrogen-distance-record

      
참고 : COSMOS J100054를 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>

2 June 2016

New Observational Distance Record Promises Important Tool for Studying Galaxies

Astronomers have used new capabilities of the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) to open a whole new realm of research into how galaxies evolve and interact with their surroundings over cosmic time. They detected the faint radio emission from atomic hydrogen, the most abundant element in the Universe, in a galaxy nearly 5 billion light-years from Earth.

"This almost doubles the distance record for this type of observation, and promises key new insights into how galaxies draw in the gas, process it, and lose it as they evolve," said Ximena Fernandez, of Rutgers University. "As we look farther out in distance, we're looking farther back in time, so this new capability allows us to gain previously unobtainable information about how galaxies develop," she added.

The scientists detected the radio "fingerprint" of hydrogen in a galaxy called COSMOS J100054. The discovery came from the first 178 hours of observation in a program called the COSMOS HI Large Extragalactic Survey, or CHILES, led by Jacqueline van Gorkom of Columbia University. The CHILES project eventually will use more than 1,000 hours of VLA observing time. The detection was made possible by the improved capabilities of the VLA provided by a 10-year upgrade project completed in 2012.

"The new electronic systems in the upgraded VLA were essential to this work. Without the upgrade, this discovery would have been impossible. This detection is the first of what we believe will be many more to come, making an important contribution to our understanding of how galaxies evolve," said Emmanuel Momjian, of the National Radio Astronomy Observatory.

Hydrogen gas is the raw material for making stars. Throughout their lives, galaxies draw in the gas, which eventually is incorporated into stars. In furious bursts of star formation, stellar winds and supernova explosions can blow gas out of the galaxy and rob it of the material needed for further star formation.

In order to understand how these processes develop, astronomers need images of the gas in and near galaxies of different ages. Until now, technical limitations of radio telescopes prevented them from detecting atomic hydrogen emission at the distances needed to see the gas in galaxies distant enough to provide the required "lookback time." The CHILES project will achieve this to distances out to about 6 billion light-years.

COSMOS J100054 is in a region of sky extensively studied with multiple telescopes as part of an international project called the Cosmological Evolution Survey (COSMOS). Data from that survey allowed the scientists to glean additional information about the galaxy. In addition, Hansung Gim of the University of Massachusetts, Amherst, used the Large Millimeter Telescope in Mexico to detect Carbon Monoxide (CO) in the galaxy. The CO detection gave the researchers key information about gas in the galaxy that is composed of molecules, rather than of individual atoms. Molecular gas is considered a necessary precursor to star formation.

The scientists found that COSMOS J100054 is a massive, barred spiral galaxy that may be interacting with a small neighbor galaxy. With an amount of hydrogen nearly 100 billion times the mass of the Sun, the galaxy is forming the equivalent of about 85 suns every year.

"This is the first time we have been able to observe both the emission from atomic hydrogen and from carbon monoxide in a galaxy that is beyond our local Universe," Gim said. "Now that we have this capability, we soon will be able to start filling in gaps in our knowledge about the properties of galaxies at specific ages. This is an important development," he added.

The research was the work of an international team of astronomers from North America, South America, Europe, Asia and Australia. The scientists are reporting their results in 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. CHILES is partially supported by a collaborative research grant from the National Science Foundation.

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Dave Finley, Public Information Officer
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