퀘이사를 감싸고 있는 거대한 헤일로

 

Credit:ESO/Borisova et al.

 

사진1> 이 모자이크 사진은 스위스 연방기술연구소가 주도하는 국제 천문연구팀이 관측한 19개 퀘이사 중 18개를 보여주고 있다.
각각의 퀘이사들은 모두 밝은 가스상 헤일로에 둘러싸여 있다.
관측 대상이 된 모든 퀘이사들이 이처럼 밝은 헤일로에 둘러싸여 있었던 사례는 이번이 처음이다.
이번 관측은 ESO VLT에 장착된 MUSE를 이용하여 수행되었다.

천문학자들로 구성된 국제연구팀이 머나먼 퀘이사에서 그 주위를 감싸고 빛나고 있는 가스구름을 발견해냈다.
ESO 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착되어 있는 MUSE를 이용하여 진행된 이번 연구에서는 퀘이사 주변에 형성되는 헤일로가 예상보다 훨씬 더 일반적인 현상임을 말해주고 있다.
이 놀라운 발견에서 찾아낸 헤일로의 속성에서도 놀라운 결과가 도출되었다.
오늘날 대체적으로 받아들여지고 있는 초기 우주에서의 은하 형성에 대한 이론과 부합되지 않는 부분이 있다는 점이 바로 그것이다.

 

스위스 연방기술연구소의 천문학자들이 이끄는 국제천문협력연구팀이 ESO 파라날 천문대의 VLT에 장착된 MUSE의 독보적인 관측 성능을 이용하여 빅뱅으로부터 20억년 상관에 있는 머나먼 활성은하의 주변을 둘러싼 가스를 연구하였다.

 

퀘이사라 불리는 이 활성은하들은 그 중심에 초거대질량의 블랙홀을 품고 있으며 이 블랙홀은 별들과 가스를 비롯한 주변의 물질들을 엄청난 속도로 집어삼키고 있다.
이렇게 빨려들어가는 물질들은 차례대로 은하의 중심부에서 어마어마한 복사를 뿜어내게 만들고 이것이 우주에서 가장 밝고 활동적인 천체인 퀘이사를 만들게 된다.

 

이번 연구는 MUSE를 이용하여 관측 가능한 가장 밝은 퀘이사 중 19개를 선정하여 진행되었다.
이전 연구들에서는 전체 퀘이사의 약 10% 정도에서만 이른바 별사이우주공간의 매질이라고 알려져 있는 가스로 구성된 헤일로가 그 주위를 둘러싸고 있는 모습이 관측되었다.

이들 헤일로는 퀘이사의 중심부로부터 30만 광년의 폭으로 펼쳐져 있다.

 

그러나 이번 새로운 연구는 관측대상이 된 19개 퀘이사 전체에서 거대한 헤일로가 관측되는 놀라운 결과를 도출해냈다.
이는 통계적으로는 단 두 개 퀘이사에서만 헤일로가 관측될 것이라는 예측을 훨씬 뛰어넘는 결과이다.

 

연구팀은 이러한 결과가 예전 관측 장비의 성능을 훨씬 뛰어넘는 MUSE의 독보적인 관측 성능으로 인해 가능했을 것으로 추정하고 있다.
하지만 정확한 이유가 무엇인지는 추가 관측이 필요한 상황이다.

 

이번 논문의 주저자인 스위스 연방기술연구소 엘레나 보리소바(Elena Borisova)의 설명은 다음과 같다.
"이번 결과가 우리의 새로운 관측 기술 때문에 가능했다거나 아니면 우리가 대상으로 선택한 퀘이사들이 뭔가 독특한 퀘이사일 것이라고 단정짓기에는 아직은 너무 이른 상황입니다.
따라서 아직 알아야 할게 너무 많죠.
지금 우리는 새로운 발견의 시대에 이제 막 들어서고 있는 셈입니다."
 
이번 연구의 원래 목표는 대규모 스케일에서 우주를 구성하고 있는 가스상 성분들을 분석하는데 있었다.
이 구조는 때때로 '우주의 거미줄'로 언급되곤 하는데 퀘이사는 이 거미줄의 밝은 접합부를 구성하고 있다.[1]

 

이 우주의 거미줄을 구성하고 있는 가스상 성분들은 일반적으로 포착해내기가 대단히 어렵다.
따라서 퀘이사 주위를 감싸고 빛을 반사해내고 있는 헤일로는 거대한 규모로 펼쳐져 있는 우주의 구조를 연구하는데 거의 유일한 기회를 제공해주고 있다.

 

이번에 관측된 19개의 헤일로는 또다른 놀라운 사실을 밝혀주었다.
이들이 섭씨 약 1만도 정도 수준의 상대적으로 차가운 은하사이 우주공간의 가스로 구성되어 있었던 것이다.

 

이 발견은 현재 대체적으로 받아들여지고 있는 은하의 생성 및 구조에 대한 이론과 완전 배치되는 결과이다.
오늘날의 은하 생성 및 구조모델에 따르면 이처럼 은하와 가까이 붙어 있는 가스들의 온도는 최소한 백만도 이상 수준이 되어야 한다.

 

이번 발견은 이와 같은 유형의 천체를 관측하는데 있어서 MUSE의 잠재가능성을 보여주는 결과이다.[2]

 

이번 논문의 공동저자인 세바스티아노 칸타루포(Sebastiano Cantalupo)는 이 새로운 장비와 이 장비가 제공해줄 가능성에 매우 고무되어 있다.
그의 소감은 다음과 같다.
"우리는 이번 연구에서 MUSE의 독보적인 성능을 십분 이용하였습니다.
이 장비는 앞으로의 연구에 있어서도 새로운 길을 닦아줄 것입니다.
새로운 이론적, 수학적 모델을 함께 결합하여 우주적 구조의 형성과 은하의 진화에 대한 새로운 창들이 지속적으로 열리게 될 것입니다."

 

 

각주
[1] 우주의 거미줄은 대규모 범위로 본 우주의 구조를 말한다.
이 구조는 주로 수소와 헬륨 가스와 같은 원초적인 물질들로 만들어진 가느다란 먼지다발과 은하들을 서로 묶고 있으며 그 사이 공간에 광활하게 퍼져 있는 암흑물질로 구성되어 있다. 
우주의 거미줄을 구성하고 있는 이 물질들은 이 먼지다발들을 따라 은하로 유입되어 은하의 성장과 진화를 촉발시킨다.

 

[2] MUSE는 스펙트럼의 전 영역과 분광분석데이터 및 화상데이터를 함께 보여줄 수 있는 관측 성능을 가지고 있다.
이 장비는 거대한 천체를 한 번에 관측할 수 있으며 각 픽셀 단위로 빛의 색체나 파장으로 인한 빛의 강도를 측정할 수 있다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 10월 26일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1638/

      
참고 : 다양한 퀘이사에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346987

 

원문>

eso1638 — Science Release

ESO’s VLT Detects Unexpected Giant Glowing Halos around Distant Quasars

26 October 2016

An international team of astronomers has discovered glowing gas clouds surrounding distant quasars. This new survey by the MUSE instrument on ESO’s Very Large Telescope indicates that halos around quasars are far more common than expected. The properties of the halos in this surprising find are also in striking disagreement with currently accepted theories of galaxy formation in the early Universe.

An international collaboration of astronomers, led by a group at the Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich, Switzerland, has used the unrivalled observing power of MUSE on the Very Large Telescope (VLT) at ESO’s Paranal Observatory to study gas around distant active galaxies, less than two billion years after the Big Bang. These active galaxies, called quasars, contain supermassive black holes in their centres, which consume stars, gas, and other material at an extremely high rate. This, in turn, causes the galaxy centre to emit huge amounts of radiation, making quasars the most luminous and active objects in the Universe.

The study involved 19 quasars, selected from among the brightest that are observable with MUSE. Previous studies have shown that around 10% of all quasars examined were surrounded by halos, made from gas known as the intergalactic medium. These halos extend up to 300 000 light-years away from the centres of the quasars. This new study, however, has thrown up a surprise, with the detection of large halos around all 19 quasars observed  — far more than the two halos that were expected statistically. The team suspects this is due to the vast increase in the observing power of MUSE over previous similar instruments, but further observations are needed to determine whether this is the case.

“It is still too early to say if this is due to our new observational technique or if there is something peculiar about the quasars in our sample. So there is still a lot to learn; we are just at the beginning of a new era of discoveries”, says lead author Elena Borisova, from the ETH Zurich.

The original goal of the study was to analyse the gaseous components of the Universe on the largest scales; a structure sometimes referred to as the cosmic web, in which quasars form bright nodes [1]. The gaseous components of this web are normally extremely difficult to detect, so the illuminated halos of gas surrounding the quasars deliver an almost unique opportunity to study the gas within this large-scale cosmic structure.

The 19 newly-detected halos also revealed another surprise: they consist of relatively cold intergalactic gas — approximately 10 000 degrees Celsius. This revelation is in strong disagreement with currently accepted models of the structure and formation of galaxies, which suggest that gas in such close proximity to galaxies should have temperatures upwards of a million degrees.

The discovery shows the potential of MUSE for observing this type of object [2]. Co-author Sebastiano Cantalupo is very excited about the new instrument and the opportunities it provides: “We have exploited the unique capabilities of MUSE in this study, which will pave the way for future surveys. Combined with a new generation of theoretical and numerical models, this approach will continue to provide a new window on cosmic structure formation and galaxy evolution.”

Notes

[1] The cosmic web is the structure of the Universe at the largest scale. It is comprised of spindly filaments of primordial material (mostly hydrogen and helium gas) and dark matter which connect galaxies and span the chasms between them. The material in this web can feed along the filaments into galaxies and drive their growth and evolution.

[2] MUSE is an integral field spectrograph and combines spectrographic and imaging capabilities. It can observe large astronomical objects in their entirety in one go, and for each pixel measure the intensity of the light as a function of its colour, or wavelength.

More information

This research was presented in the paper "Ubiquitous giant Lyα nebulae around the brightest quasars at z ~ 3.5 revealed with MUSE", to appear in the Astrophysical Journal.

The team is composed of Elena Borisova, Sebastiano Cantalupo, Simon J. Lilly, Raffaella A. Marino and Sofia G. Gallego (Institute for Astronomy, ETH Zurich, Switzerland), Roland Bacon and Jeremy Blaizot (University of Lyon, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Saint-Genis-Laval, France), Nicolas Bouché (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, Toulouse, France), Jarle Brinchmann (Leiden Observatory, Leiden, The Netherlands; Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Porto, Portugal), C Marcella Carollo (Institute for Astronomy, ETH Zurich, Switzerland), Joseph Caruana (Department of Physics, University of Malta, Msida, Malta; Institute of Space Sciences & Astronomy, University of Malta, Malta), Hayley Finley (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, Toulouse, France), Edmund C. Herenz (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany), Johan Richard (Univ Lyon, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Saint-Genis-Laval, France), Joop Schaye and Lorrie A. Straka (Leiden Observatory, Leiden, The Netherlands), Monica L. Turner (MIT-Kavli Center for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA), Tanya Urrutia (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany), Anne Verhamme (University of Lyon, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Saint-Genis-Laval, France), Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany).

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 the VLT

Contacts

Elena Borisova
ETH Zurich
Switzerland
Tel: +41 44 633 77 09
Email: borisova@phys.ethz.ch

Sebastiano Cantalupo
ETH Zurich
Switzerland
Tel: +41 44 633 70 57
Email: cantalupo@phys.ethz.ch

Mathias Jäger
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