SSA22-리만-알파 거품 1 (SSA22-Lyman-alpha blob 1, LAB-1)

 

Credit:J.Geach/D.Narayanan/R.Crain

 

그림 1> 이 그림은 LAB-1 과 유사한 리만-알파 거품의 우주론적 시뮬레이션에서 재현한 한 장면이다.

이 시뮬레이션은 NASA 플레이아데스 슈퍼 컴퓨터에서 진행중인 가장 최근의 은하 생성 모델 중 하나를 이용하여 가스와 암흑물질의 진화과정을 추적하고 있다.

이 그림은 암흑물질 헤일로 내에서의 가스 분포를 묘사하고 있는 것으로서 주로 중성 수소로 이루어진 차가운 가스는 붉은 색으로, 뜨거운 가스는 하얀색으로 표시되어 있다.

이 시스템의 한복판에는 폭발적으로 별들을 생성해내고 있는 두 개의 은하가 자리잡고 있다.
그러나 이 은하들은 뜨거운 가스 및 작고 붉은 색의 가스 뭉치처럼 보이는 수많은 위성 은하들에 파묻혀 있다.

중심 은하들로부터 탈출한 리만-알파 광자들은 이 위성 은하들과 연계된 차가운 가스에 산란되어 광대하게 펼쳐진 리만-알파 거품을 만들어내고 있다.

 

 

SSA22-리만-알파 거품 1 (SSA22-Lyman-alpha blob 1,  LAB-1) : 거대한 우주거품의 비밀을 밝혀내다.

 

국제 연구팀이 ALMA와 ESO 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT) 및 여러 망원경들을 이용하여 머나먼 우주에 존재하는 이른바 리만-알파 거품(Lyman-alpha Blob)이라 불리는 희귀한 천체의 진정한 성격을 규명해냈다.

지금까지 천문학자들은 무엇이 이처럼 밝게 빛나는 거대 가스구름을 만드는지 전혀 이해하지 못하고 있었다.

이번에 ALMA를 이용하여 리만-알파 구름의 중심부에 안겨 있는 두 개의 은하를 관측하였는데 이 은하들은 맹렬하게 새로운 별들을 생성해 내고 있었으며 이로부터 발생한 빛이 리만-알파 구름의 주변을 환하게 비추고 있었다.

이 거대한 은하들은 무거운 은하단 형성의 초기 단계로 보이는 비교적 작은 은하들이 몰려 있는 지역의 중심부에 차례로 자리잡고 있었다.

이 두 개의 은하들은 하나의 거대한 타원은하로 진화할 것으로 예상된다.

 

리만알파거품(Lyman-alpha Blobs, LABs)은 수십만 광년에 걸쳐 펼쳐질 수 있는 거대한 수소가스구름으로서 대개 머나먼 우주에서 발견된다.

이 천체의 이름은 리만-알파 복사라고 알려진 자외선 복사파장 때문에 붙여진 것이다.[1]

 

리만-알파 거품의 발견 이후 이 거품을 만들어내는 작용이 무엇인지는 천문학적 수수께끼로 남아있었다.

그러나 이번에 수행된 ALMA의 새로운 관측은 이러한 수수께끼를 풀어줄 수 있을 것으로 보인다.

 

지금까지 알려진 가장 거대한 리만-알파 거품은 SSA22-리만-알파 거품 1(SSA22-Lyman-alpha blob 1 이하 LAB-1)이라는 이름의 리만-알파거품인데 이 거품은 지금까지 가장 많은 연구가 수행된 리만-알파거품이다.

 

형성 초기 단계에 있는 거대한 은하단의 복판에 파묻혀 있는 이 리만-알파거품은 지난 2,000년, 이러한 종류의 천체로는 가장 먼저 발견되었으며
그 거리는 무려 115억 광년이다.

 

영국 하드퍼드셔대학(the University of Hertfordshire) 천체물리연구센터의 짐 기치(Jim Geach)가 이끄는 천문학자들로 이뤄진 연구팀은
머나먼 은하의 차가운 먼지구름으로부터 발생하는 빛을 관측하는데 있어 독보적인 능력을 가지고 있는 ALMA를 이용하여 LAB-1을 깊게 관측하였다. 

그 결과 서브밀미미터 파장의 복사를 방출하는 몇몇 원천을 포착하고 이를 관측할 수 있었다.[2]

이후 ALMA의 관측 사진들은 리만-알파 복사선을 그려낸 MUSE의 관측 데이터와 합성되었다.
MUSE는 ESO의 초대형 망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착되어 있는 장비이다.

이렇게 합성된 데이터는 ALMA가 관측한 대상이 리만-알파 거품의 한복판에 자리잡고 있음을 보여주었는데
이곳에서는 미리내 대비 100 배 이상의 비율로 별들이 먼들어지고 있었다.

허블우주망원경이 깊은 노출을 이용하여 촬영한 사진과 W.M.켁 천문대에서 획득한 분광데이터[3]는 ALMA의 관측 대상이 된 천체들이 수많은 희미한 동반 은하에 둘러싸여 있음을 보여주었다.
이 동반 은하들은 ALMA가 관측한 두 개의 은하에 추락하면서 왕성한 별 생성을 촉발시켰을 수도 있다.

곧이어 연구팀은 ALMA가 관측한, 수소가스를 감싸고 있는 천체들에서 별들이 생성되면서 자외선이 생성된다는 것을 설명해 줄 수 있는 리만-알파선을 복사해내는 거대한 구름을 시연하기 위해 매우 정교화된 은하형성 시뮬레이션으로 방향을 틀었다.

바로 이것이 우리가 보는 리만-알파 거품을 만든 것일 수 있는 것이다.

 

이번 논문의 주저자인 짐 기치의 설명은 다음과 같다.
"안개가 가득 낀 밤의 가로등을 생각해 보세요.
당신이 보는 빛은 흐릿하게 퍼져 있을 것입니다.
이것은 가로등빛이 미세한 물방울에 산란되기 때문이죠.
이와 비슷한 일이 이곳에서도 일어나고 있는 것입니다.
그저 가로등은 폭발적으로 새로운 별들을 만들어내는 은하로 대치되는 것이고 안개는 은하간 공간을 차지하고 있는 거대한 가스 구름인 것일 뿐입니다.
은하들이 바로 자신들의 주변을 비추고 있는 것이죠."
 
은하의 형성과 진화를 이해하는 것은 크나큰 도전이다.

천문학자들은 리만-알파거품이 우주에서 형성되는 대부분의 무거운 은하들이 탄생되는 장소에 위치하고 있기 때문에 매우 중요하다고 생각하고 있다.

 

특별이 넓게 퍼져 있는 리만-알파의 빛은 어린 은하들을 둘러 싸고 있는 원시 가스 구름에서 어떤 일이 일어났는지에 대한 정보를 제공해주고 있다.
이 원시 가스 구름이 있는 지역은 연구하기가 매우 까다롭지만 은하의 형성과 진화 과정을 이해하는데는 핵심이 되는 지역이기도 하다.

 

짐 기치의 설명은 다음과 같다.
"이 거품이 정말 흥미로운 것은 빛을 뿜어내고 있는 어린 은하들 주변에서 어떤 일이 일어나는지 우리가 볼 수 있는 대단히 희귀한 기회가 된다는 것입니다. 
오랫동안 넓게 퍼져 있는 리만-알파 복사선의 기원에 대해서는 논쟁이 계속되어 왔습니다.
그러나 새로운 관측 데이터 및 첨단 시뮬레이션 기법을 통해 우리는 15년간 이어온 이 수수께끼를 풀 수 있게 되었다고 생각합니다.
리만-알파거품-1은 거대한 타원은하가 형성되는 곳이며 언젠가는 거대한 은하단의 심장부가 될 것입니다.
우리는 지금 115억년 전에 있었던 은하의 조합 과정의 한 단면을 보고 있는 것입니다."

 

 

Credit:ESO/J. Geach

 

표1> 이 도표는 우주에서 가장 거대하고 가장 밝은 천체 중 하나인 리만-알파 거품이 어떻게 빛을 내는지 설명하고 있다.
첫째. ALMA에 의해 포착된 것은 중심지역에서 폭발적으로 새로운 별들을 만들어내고 있는 은하이다.
둘째. 이 은하를 둘러싸고 있는 위성은하들은 대부분이 직접적으로 관측되기에는 대단히 적은 질량을 가지고 있다.
셋째. 중심의 은하는 폭발적인 별의 생성으로부터 리만-알파 복사를 방출한다.
넷째. 리만-알파 광자는 주변을 둘러싸고 있는 차가운 가스에 산란된다. 이 차가운 가스의 대부분은 작은 위성은하들을 감싸고 있는 가스들이다.
다섯째. 산란된 리만-알파 복사가 퍼져나오면서 광활하게 펼쳐진 리만-알파 거품을 연출한다.

 

 

Credit:ESO/M. Hayes

 

사진 1> 이 사진은 우주에서 단일 천체로는 가장 거대한 천체 중 하나로 알려진 리만-알파 거품 1 (the Lyman-alpha blob, LAB-1)을 촬영한 것이다.

이 사진은 VLT에 장착된 FORS로 촬영한 두 장의 사진을 합성한 것이다.
좀더 넓은 화각으로 촬영한 사진은 주변을 둘러싸고 있는 은하들을 보여주고 있으며 깊은 관측을 통해 촬영된 중심의 거품은 편광 작용에 의해 포착한 것이다.

이 거품으로부터 뿜어져나오는 강력한 리만-알파 자외선 복사는 초록색으로 표현되어 있다.
이 복사선은 지구까지 오는 동안 우주의 팽창에 의해 상당히 많이 편이된 것이다.

이번 관측은 사상 처음으로 편광화된 이 천체의 빛을 보여줄 수 있게 되었다.

이것은 이 거대한 거품이 가스구름 속에 파묻힌 은하들에 의해 에너지를 공급받고 있음이 틀림없음을 말해주고 있다.

 

Credit:ESO/A. Fujii/M. Hayes and Digitized Sky Survey 2

 

사진2> 이 일련의 사진들은 단일천체로는 우주에서 가장 큰 규모를 가진 천체중 하나인 리만-알파 거품 1의 확대 과정을 차례대로 담아낸 것이다.

ESO의 VLT를 이용하여 사상 처음으로 가스 구름 속에 파묻혀 있는 은하들에 의해 에너지를 공급받고 있는 이 거대한 거품을 포착할 수 있었다.

왼쪽 사진은 물병자리 전체를 보여주고 있다.

오른쪽 상단의 위의 두 개 사진은 DSS2의 일환으로 촬영된 사진들로서 청색 및 붉은 색 필터로 촬영된 것이다.

아래 두 개 사진은 VLT에 장착된 FORS를 이용하여 촬엳된 것이다.

 

Credit:ESO and Digitized Sky Survey 2

 

사진 3> 리만-알파거품 1과 그 주변을 가시광선으로 촬영한 이 광각 사진은 DSS2의 일환으로 촬영된 것으로서 청색 필터 및 붉은색 필터를 이용하여 촬영된 것이다.

사진 한복판에 자리잡고 있는 이 거품은 그 크기도 매우 거대하고 밝기도 매우 밝지만, 너무나 멀리 떨어져 있어 이 사진에서조차 선명하게 그 모습을 보기에는 너무나 희미한 상태이다.

사진의 폭은 약 2.9도의 영역을 담고 있다.

 

각주

[1] 양극의 핵 주위를 도는 음극의 전자들은 양자이동으로 에너지 레벨을 오르내린다.

이것은 전자가 특정 에너지 준위에만 존재할 수 있으며 정해진 정확한 양의 에너지를 얻거나 잃음으로써만 에너지 준위의 이동이 가능하다는 것을 의미한다. 
리만-알파 복사는 수소 전자가 두번째로 낮은 궤도에서 가장 낮은 궤도로 떨어질 때 발생하는 복사이다. 
여기서 방출된 특정한 양의 에너지는 스펙트럼 상에서 자외선 대역에 해당하는 특정 파장으로 발생하며 이렇게 발생한 복사는 우주에 있는 망원경에 의해 감지되거나 적색편이가 일어난 경우 지구 상에서도 감지할 수 있게 된다. 
LAB-1의 경우 적색편이값이 z~3으로서 이 리만-알파복사는 가시광선에서 볼 수 있다.

 

[2] 해상도란 대상을 분리해서 볼 수 있는 능력을 말한다.
저해상도에서는 멀리 떨어진 여러 개의 밝은 점들이 하나처럼 보일 것이며 가깝게 다가가서야 각 점들이 분리되어 보일 것이다.  
ALMA의 고해상도 관측성능은 예전에는 하나로 생각되었던 이 리만-알파 거품이 실제로는 두 개의 원천을 가지고 있음을 알려주었다.

[3] 여기에 사용된 장비는 허블우주 망원경에 장착된 우주망원경화상분광기(the Space Telescope Imaging Spectograph, STIS)와 켁 1 망원경에 장착된 적외선 및 적색광 관측을 위한 다중분광기(the Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration, MOSFIRE)이다. 
   

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 9월 21일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1632/

 

 

원문>

eso1632 — Science Release

ALMA Uncovers Secrets of Giant Space Blob

21 September 2016

An international team using ALMA, along with ESO’s Very Large Telescope and other telescopes, has discovered the true nature of a rare object in the distant Universe called a Lyman-alpha Blob. Up to now astronomers did not understand what made these huge clouds of gas shine so brightly, but ALMA has now seen two galaxies at the heart of one of these objects and they are undergoing a frenzy of star formation that is lighting up their surroundings. These large galaxies are in turn at the centre of a swarm of smaller ones in what appears to be an early phase in the formation of a massive cluster of galaxies. The two ALMA sources are expected to evolve into a single giant elliptical galaxy.

Lyman-alpha Blobs (LABs) are gigantic clouds of hydrogen gas that can span hundreds of thousands of light-years and are found at very large cosmic distances. The name reflects the characteristic wavelength of ultraviolet light that they emit, known as Lyman-alpha radiation [1]. Since their discovery, the processes that give rise to LABs have been an astronomical puzzle. But new observations with ALMA may now have now cleared up the mystery.

One of the largest Lyman-alpha Blobs known, and the most thoroughly studied, is SSA22-Lyman-alpha blob 1, or LAB-1. Embedded in the core of a huge cluster of galaxies in the early stages of formation, it was the very first such object to be discovered — in 2000 — and is located so far away that its light has taken about 11.5 billion years to reach us.

A team of astronomers, led by Jim Geach, from the Centre for Astrophysics Research of the University of Hertfordshire, UK, has now used the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array’s (ALMA) unparallelled ability to observe light from cool dust clouds in distant galaxies to peer deeply into LAB-1. This allowed them to pinpoint and resolve several sources of submillimetre emission [2].

They then combined the ALMA images with observations from the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument mounted on ESO’s Very Large Telescope (VLT), which map the Lyman-alpha light. This showed that the ALMA sources are located in the very heart of the Lyman-alpha Blob, where they are forming stars at a rate over 100 times that of the Milky Way.

Deep imaging with the NASA/ESA Hubble Space Telescope and spectroscopy at the W. M. Keck Observatory [3] showed in addition that the ALMA sources are surrounded by numerous faint companion galaxies that could be bombarding the central ALMA sources with material, helping to drive their high star formation rates.

The team then turned to a sophisticated simulation of galaxy formation to demonstrate that the giant glowing cloud of Lyman-alpha emission can be explained if ultraviolet light produced by star formation in the ALMA sources scatters off the surrounding hydrogen gas. This would give rise to the Lyman-alpha Blob we see.

Jim Geach, lead author of the new study, explains: “Think of a streetlight on a foggy night — you see the diffuse glow because light is scattering off the tiny water droplets. A similar thing is happening here, except the streetlight is an intensely star-forming galaxy and the fog is a huge cloud of intergalactic gas. The galaxies are illuminating their surroundings.”

Understanding how galaxies form and evolve is a massive challenge. Astronomers think Lyman-alpha Blobs are important because they seem to be the places where the most massive galaxies in the Universe form. In particular, the extended Lyman-alpha glow provides information on what is happening in the primordial gas clouds surrounding young galaxies, a region that is very difficult to study, but critical to understand.

Jim Geach concludes, “What’s exciting about these blobs is that we are getting a rare glimpse of what’s happening around these young, growing galaxies. For a long time the origin of the extended Lyman-alpha light has been controversial. But with the combination of new observations and cutting-edge simulations, we think we have solved a 15-year-old mystery: Lyman-alpha Blob-1 is the site of formation of a massive elliptical galaxy that will one day be the heart of a giant cluster. We are seeing a snapshot of the assembly of that galaxy 11.5 billion years ago.”

Notes

[1] The negatively charged electrons that orbit the positively charged nucleus in an atom have quantised energy levels. That is, they can only exist in specific energy states, and they can only transition between them by gaining or losing precise amounts of energy. Lyman-alpha radiation is produced when electrons in hydrogen atoms drop from the second-lowest to the lowest energy level. The precise amount of energy lost is released as light with a particular wavelength, in the ultraviolet part of the spectrum, which astronomers can detect with space telescopes or on Earth in the case of redshifted objects. For LAB-1, at redshift of z~3, the Lyman-alpha light is seen as visible light.

[2] Resolution is the ability to see that objects are separated. At low resolution, several bright sources at a distance would seem like a single glowing spot, and only at closer quarters would each source be distinguishable. ALMA’s high resolution has resolved what previously appeared to be a single blob into two separate sources.

[3] The instruments used were the Space Telescope Imaging Spectograph (STIS) on the NASA/ESA Hubble Space Telescope and the Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration (MOSFIRE) mounted on the Keck 1 telescope on Hawaii.

More information

This research was presented in a paper entitled “ALMA observations of Lyman-α Blob 1: Halo sub-structure illuminated from within” by J. Geach et al., to appear in the Astrophysical Journal.

The team is composed of J. E. Geach (Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, Hatfield, UK), D. Narayanan (Department of Physics and Astronomy, Haverford College, Haverford PA, USA; Department of Astronomy, University of Florida, Gainesville FL, USA), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokyo, Japan; The Graduate University for Advanced Studies, Mitaka, Tokyo, Japan), M. Hayes (Stockholm University, Department of Astronomy and Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, Stockholm, Sweden), Ll. Mas-Ribas (Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo, Oslo, Norway), M. Dijkstra (Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo, Oslo, Norway), C. C. Steidel (California Institute of Technology, Pasadena CA, USA ), S. C. Chapman (Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, Halifax, Canada ), R. Feldmann (Department of Astronomy, University of California, Berkeley CA, USA ), A. Avison (UK ALMA Regional Centre Node; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, School of Physics and Astronomy, The University of Manchester, Manchester, UK), O. Agertz (Department of Physics, University of Surrey, Guildford, UK), Y. Ao (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokyo, Japan), M. Birkinshaw (H.H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, UK), M. N. Bremer (H.H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, UK), D. L. Clements (Astrophysics Group, Imperial College London, Blackett Laboratory, London, UK), H. Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Tenerife, Spain; Universidad de La Laguna, Astrofísica, La Laguna, Tenerife, Spain), D. Farrah (Department of Physics, Virginia Tech, Blacksburg VA, USA), C. M. Harrison (Centre for Extragalactic Astronomy, Department of Physics, Durham University, Durham, UK), M. Kubo (National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokyo, Japan), M. J. Michałowski (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, UK), D. Scott (Department of Physics & Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, Canada), M. Spaans (Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, Groningen, Netherlands) , J. Simpson (Institute for Astronomy, University of Edinburgh, Royal Observatory, Edinburgh, UK), A. M. Swinbank (Centre for Extragalactic Astronomy, Department of Physics, Durham University, Durham, UK ), Y. Taniguchi (The Open University of Japan, Chiba, Japan), E. van Kampen (ESO, Garching, Germany), P. Van Der Werf (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, The Netherlands), A. Verma (Oxford Astrophysics, Department of Physics, University of Oxford, Oxford, UK) and T. Yamada (Astronomical Institute, Tohoku University, Miyagi, Japan).

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

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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

• Research paper
• Photos of ALMA
• Photos of VLT

Contacts

Jim Geach
Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire
Hatfield, UK
Email: j.geach@herts.ac.uk

Matthew Hayes
Stockholm University
Stockholm, Sweden
Tel: +46 (0)8 5537 8521
Email: matthew@astro.su.se

Richard Hook
ESO Public Information Officer
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