예상보다 빠른 우주의 팽창을 말해주는 중력렌즈 퀘이사

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 1> 사진의 한가운데 보이는 것은 HE0435-1223 으로서 지금까지 발견된 가장 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나이다. 

앞쪽에 위치한 은하가 머나먼 퀘이사를 매우 고르게 주위에 배열된 4개의 모습으로 보여주고 있다.

 

국제천문연구단이 거대한 중력렌즈를 만들어내는 은하들을 이용하여 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지에 대한 독립적인 측정을 실행했다.
이번에 새로 측정된 국부 우주의 팽창률은 예전에 계산된 팽창률과 일치하는 양상을 보여주었다.
그러나 초기 우주의 측정치에 대해서는 흥미로운 불일치 양상이 존재한다.
이러한 사실은 우주에 대한 이해의 핵심요소에 근본적인 문제가 있다는 단서가 되고 있다.

 

우주의 팽창률을 나타내는 허블상수는 우주를 서술하는 근본적인 상수 중 하나이다.

 

홀리카우 협력사업(the H0LiCOW)의 셰리 수유(Sherry Suyu)가 이끄는 천문학 연구 그룹은 허블우주망원경을 포함한 우주와 지상에 있는 몇몇 망원경[1]들을 이용하여 다섯 개의 은하들을 대상으로 허블상수에 대한 독자적인 측정을 시행했다[2].
 
이번에 사용된 새로운 측정 기법은 예전의 케페이드 변광성과 초신성을 핵심 참고자료로 사용하여 측정했던 국부우주에서의 허블 상수 측정치와는 완전히 독립되는, 그러나 그 결과 값이 훌륭하게 일치하는 측정기법이다.

 

그러나 이번에 수유와 그녀의 연구팀이 측정한 데이터 뿐 아니라 케페이드 변광성과 초신성을 이용하여 계산한 측정치도 ESA 플랑크 위성이 측정한 수치와는 다르게 나타난다.

 

그러나 여기에는 중요한 구분점이 있다.
플랑크 위성의 측정은 우주배경복사를 이용하여 초기 우주의 허블상수를 측정한 것이라는 점이다.

 

플랑크 위성이 측정한 허블상수값이 오늘날 우리가 이해하고 있는 우주와 일치함에 반해 다른 천문연구단에서 측정한 국부 우주의 허블상수값은 현재 채택되고 있는 우주의 이론적 모델과는 맞지 않는다.

 

수유의 설명은 다음과 같다.
"이처럼 높은 정확도를 가지고 서로 다른 방법으로 우주의 팽창을 측정하는 것은 이제 시작단계입니다.
이 와중에 실제 발생하는 불일치는 어쩌면 오늘날 우리가 알고 있는 우주에 대한 지식을 넘어서는 새로운 물리학을 지목하고 있는 것인지도 모릅니다."

 

이번 연구의 대상이 되었던 천체는 엄청나게 밝은 빛을 쏟아내며 대단히 멀리 떨어져 있는 퀘이사와 지구 사이에 자리잡고 있는 무거운 은하들이다.

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 2> 이 사진은 H0LICOW 협력팀의 연구대상이 된 5개의 퀘이사의 모습이다.
이들 모두 앞쪽에 위치한 은하에 의해 중력렌즈현상을 보여주고 있다.
천문학자들은 이와 같은 천체를 이용하여 허블상수에 대한 독립적인 측정치를 도출해 낼 수 있었다.
이번 연구를 통해 우주의 팽창속도가 현재의 우주론 모델을 기반으로 예측된 것보다 훨씬 더 빠르게 팽창하고 있다는 것을 알 수 있었다.

 

머나먼 퀘이사에서 출발한 빛은 은하들이 가지고 있는 거대한 중력에 의해 야기된 강력한 중력렌즈현상[3]으로 인해 구부러지게 된다.
그 결과 퀘이사는 여러 개로 보이게 되고 어떤 부분은 확장된 아치 모양으로 남게 된다.

 

은하는 공간을 완벽한 구형으로 뒤틀어놓지는 못하기 때문에 중력렌즈를 만들고 있는 은하와 퀘이사는 나란히 정렬하지 못하게 된다.
서로 다른 사진에 나타나는 퀘이사의 빛은 약간씩 길이가 다른 경로를 따라온 것이다.

 

퀘이사의 밝기는 지속적으로 변하기 때문에 천문학자들은 서로 다른 시간에 서로 다른 깜빡임을 보게 되며 서로 다른 길이의 경로로 인해 각 깜빡임에서 지연 효과가 나타난다.
바로 이러한 지연 현상이 허블 상수와 직접적인 연관이 있다.

 

이번 연구의 공동책임자인 스위스 EPFL 프레데릭 쿠어빈(Frederic Courbin)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 사용한 우리 방법은 가장 단순하면서도 가장 직접적으로 허블 상수를 측정하는 방법입니다.
이 방법이 사용하는 것은 그저 기하학과 일반상대성이론이 전부죠. 그 외에 다른 가정은 존재하지 않습니다. "

 

여러 사진에서 나타나는 지연 시간에 대한 정확한 측정치와 컴퓨터 모델링을 이용하여 연구팀은 허블 상수를 3.8퍼센트라는 매우 높은 정확도로 측정할 수 있었다[4].

 

연구팀의 일원인 스위스 EPFL의 비비엔 본빈(Vivien Bonvin)은 가장 정교한 허블상수의 측정은 오늘날의 우주론 학자들에게는 가장 인기있는 연구과제 중 하나라고 말했다.

수유의 설명은 다음과 같다.
"허블상수는 현대 천문학에서 핵심적인 정보입니다.
그것이 암흑물질과 암흑에너지, 일반 물질로 구성된 우주를 바라보는 우리의 시각을 확정해주거나 논박하게 만드는데 도움을 줄 수 있기 때문이죠.
우리의 이해는 맞는 것일 수도 있고, 아니면 무언가 중요한 것을 놓치고 있는 것일 수도 있습니다."
 

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 3> 지금까지 발견된 것 중 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나인 B1608+656 의 모습
앞쪽에 위치한 두 개의 은하에 퀘이사를 품고 있는 머나먼 은하로부터 온 빛이 밝은 아치의 형태로 스며들어 있다. 

 

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 4> 지금까지 발견된 것 중 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나인 RXJ1131-1231 의 모습
앞쪽에 위치한 은하에 배경의 퀘이사가 밝은 아치로 스며들어 있다.
앞쪽의 은하는 퀘이사의 모습을 모두 4개로 보여주고 있는데 그 중 3개는 아치 안에 자리잡고 있는 모습을 보여주고 있다.

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 5> 지금까지 발견된 것 중 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나인 HE0435-1223 의 모습
앞쪽에 위치한 은하가 머나먼 퀘이사의 모습을 그 주위로 매우 고르게 배열된 4개의 모습으로 보여주고 있다.

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 6> 지금까지 발견된 것 중 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나인 WFI2033-4723 의 모습
앞쪽에 위치한 은하가 머나먼 곳에 있는 퀘이사의 모습을 4개로 또렷하게 분리하여 보여주고 있다.

 

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

 

사진 7> 지금까지 발견된 것 중 최상의 상태를 보여주는 다섯 개의 중력렌즈 퀘이사 중 하나인 HE1104-1805 의 모습
사진 중앙의 은하가 머나먼 곳에 자리잡은 퀘이사를 양 옆에 거느린 두 개의 빛덩어리로 보여주고 있다.

 

 

각주

 

[1] 이번 사용된 망원경은 다음과 같다.
허블우주망원경, 켁 망원경, ESO의 초거대망원경, 쓰바루 망원경, 제미니 망원경, 빅토르 M. 블랑코 망원경, 캐나다-프랑스-하와이 망원경, 스피처우주망원경.

여기에 1.2미터 레오나르드 율러 망원경과 MPG/ESO 2.2미터 망원경이 획득한 데이터도 활용되었다.

 

[2] 허블상수의 도출을 위해 천문학자들이 사용한 중력렌즈에 의한 시간 지연 기법은 우주를 구성하는 3대 요소인 일반물질과 암흑물질, 암흑에너지와는 거의 독립되어 있는 방법이기 때문에 특별히 중요하다. 
완전히 분리되어 있지는 않지만 이 기법은 이러한 우주의 구성요소에 받는 영향이 그다지 크지 않다.

 

[3] 중력렌즈현상은 1세기 전 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 처음으로 예견된 현상이다.
우주의 모든 물질들은 자신을 둘러싼 공간을 구부리게 되는데  이러한 효과는 중력이 클수록 더더욱 현저하게 나타나게 된다. 
은하와 같은 매우 무거운 천체 옆으로 빛이 흐르게 되면 이 빛은 은하의 중력에 의해 휘어진 공간을 따라 흐르게 되고 원래 경로로부터 벗어나 구부러지게 된다. 
바로 이러한 현상이 강력한 중력렌즈 현상으로 알려져 있다.

 

[4] H0LiCOW 팀이 계산한 허블상수는 1메가파섹당 71.9±2.7 km/s 이다.
2016년 과학자들이 측정한 허블상수는 1메가파섹당 73.24±1.74 km/s 였다.
2015년 ESA의 플랑크 위성은 당시까지 가장 높은 정확도로 허블상수를 계산했는데 당시 얻은 값은 1메가파섹당 66.93±0.62 km/s 였다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2017년 1월 26일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1702/

 

참고 : 퀘이사에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
         https://big-crunch.tistory.com/12346987

 

원문>

heic1702 — Science Release

Cosmic lenses support finding on faster than expected expansion of the Universe

26 January 2017

By using galaxies as giant gravitational lenses, an international group of astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have made an independent measurement of how fast the Universe is expanding. The newly measured expansion rate for the local Universe is consistent with earlier findings. These are, however, in intriguing disagreement with measurements of the early Universe. This hints at a fundamental problem at the very heart of our understanding of the cosmos.

The Hubble constant — the rate at which the Universe is expanding — is one of the fundamental quantities describing our Universe. A group of astronomers from the H0LiCOW collaboration, led by Sherry Suyu (associated with the Max Planck Institute for Astrophysics in Germany, the ASIAA in Taiwan and the Technical University of Munich), used the NASA/ESA Hubble Space Telescope and other telescopes [1] in space and on the ground to observe five galaxies in order to arrive at an independent measurement of the Hubble constant [2].

The new measurement is completely independent of — but in excellent agreement with — other measurements of the Hubble constant in the local Universe that used Cepheid variable stars and supernovae as points of reference [heic1611].

However, the value measured by Suyu and her team, as well as those measured using Cepheids and supernovae, are different from the measurement made by the ESA Planck satellite. But there is an important distinction — Planck measured the Hubble constant for the early Universe by observing the cosmic microwave background.

While the value for the Hubble constant determined by Planck fits with our current understanding of the cosmos, the values obtained by the different groups of astronomers for the local Universe are in disagreement with our accepted theoretical model of the Universe. “The expansion rate of the Universe is now starting to be measured in different ways with such high precision that actual discrepancies may possibly point towards new physics beyond our current knowledge of the Universe,” elaborates Suyu.

The targets of the study were massive galaxies positioned between Earth and very distant quasars — incredibly luminous galaxy cores. The light from the more distant quasars is bent around the huge masses of the galaxies as a result of strong gravitational lensing [3]. This creates multiple images of the background quasar, some smeared into extended arcs.

Because galaxies do not create perfectly spherical distortions in the fabric of space and the lensing galaxies and quasars are not perfectly aligned, the light from the different images of the background quasar follows paths which have slightly different lengths. Since the brightness of quasars changes over time, astronomers can see the different images flicker at different times, the delays between them depending on the lengths of the paths the light has taken. These delays are directly related to the value of the Hubble constant. “Our method is the most simple and direct way to measure the Hubble constant as it only uses geometry and General Relativity, no other assumptions,” explains co-lead Frédéric Courbin from EPFL, Switzerland

Using the accurate measurements of the time delays between the multiple images, as well as computer models, has allowed the team to determine the Hubble constant to an impressively high precision: 3.8% [4]. “An accurate measurement of the Hubble constant is one of the most sought-after prizes in cosmological research today,” highlights team member Vivien Bonvin, from EPFL, Switzerland. And Suyu adds: “The Hubble constant is crucial for modern astronomy as it can help to confirm or refute whether our picture of the Universe — composed of dark energy, dark matter and normal matter — is actually correct, or if we are missing something fundamental.”

Notes

[1] The study used, alongside the NASA/ESA Hubble Space Telescope, the Keck Telescope, ESO’s Very Large Telescope, the Subaru Telescope, the Gemini Telescope, the Victor M. Blanco Telescope, the Canada-France-Hawaii telescope and the NASA Spitzer Space Telescope. In addition, data from the Swiss 1.2-metre Leonhard Euler Telescope and the MPG/ESO 2.2-metre telescope were used.

[2] The gravitational lensing time-delay method that the astronomers used here to achieve a value for the Hubble constant is especially important owing to its near-independence of the three components our Universe consists of: normal matter, dark matter and dark energy. Though not completely separate, the method is only weakly dependent on these.

[3] Gravitational lensing was first predicted by Albert Einstein more than a century ago. All matter in the Universe warps the space around itself, with larger masses producing a more pronounced effect. Around very massive objects, such as galaxies, light that passes close by follows this warped space, appearing to bend away from its original path by a clearly visible amount. This is known as strong gravitational lensing.

[4] The H0LiCOW team determined a value for the Hubble constant of 71.9±2.7 kilometres per second per Megaparsec. In 2016 scientists using Hubble measured a value of 73.24±1.74 kilometres per second per Megaparsec. In 2015, the ESA Planck Satellite measured the constant with the highest precision so far and obtained a value of 66.93±0.62 kilometres per second per Megaparsec.

More information

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

This research was presented in a series of papers to appear in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

The papers are entitled as follows: "H0LiCOW I. H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring: Program Overview", by Suyu et al., "H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identification of the strong gravitational lens system HE 0435−1223", by Sluse et al., "H0LiCOW III. Quantifying the effect of mass along the line of sight to the gravitational lens HE 0435−1223 through weighted galaxy counts", by Rusu et al., "H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435−1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology", by Wong et al., and "H0LiCOW V. New COSMOGRAIL time delays of HE 0435−1223: H0 to 3.8% precision from strong lensing in a flat ΛCDM model", by Bonvin et al.

The international team consists of: S. H. Suyu (Max Planck Institute for Astrophysics, Germany; Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan; Technical University of Munich, Germany), V. Bonvin (Laboratory of Astrophysics, EPFL, Switzerland), F. Courbin (Laboratory of Astrophysics, EPFL, Switzerland), C. D. Fassnacht (University of California, Davis, USA), C. E. Rusu (University of California, Davis, USA), D. Sluse (STAR Institute, Belgium), T. Treu (University of California, Los Angeles, USA), K. C. Wong (National Astronomical Observatory of Japan, Japan; Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan), M. W. Auger (University of Cambridge, UK), X. Ding (University of California, Los Angeles, USA; Beijing Normal University, China), S. Hilbert (Exzellenzcluster Universe, Germany; Ludwig-Maximilians-Universität, Munich, Germany), P. J. Marshall (Stanford University, USA), N. Rumbaugh (University of California, Davis, USA), A. Sonnenfeld (Kavli IPMU, the University of Tokyo, Japan; University of California, Los Angeles, USA; University of California, Santa Barbara, USA), M. Tewes (Argelander-Institut für Astronomie, Germany), O. Tihhonova (Laboratory of Astrophysics, EPFL, Switzerland), A. Agnello (ESO, Garching, Germany), R. D. Blandford (Stanford University, USA), G. C.-F. Chen (University of California, Davis, USA; Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan), T. Collett (University of Portsmouth, UK), L. V. E. Koopmans (University of Groningen, The Netherlands), K. Liao (University of California, Los Angeles, USA), G. Meylan (Laboratory of Astrophysics, EPFL, Switzerland), C. Spiniello (INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Italy; Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Germany) and A. Yıldırım (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Germany)

Image credit: NASA, ESA, Suyu (Max Planck Institute for Astrophysics), Auger (University of Cambridge)

Links

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Contacts

Sherry Suyu
Max Planck Institute for Astrophysics
Garching, Germany
Tel: +49 89 30000 2015
Email: suyu@mpa-garching.mpg.de

Vivien Bonvin
Institute of Physics, Laboratory of Astrophysics, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Observatory of Sauverny
Versoix, Switzerland
Tel: +41 22 3792420
Email: vivien.bonvin@epfl.ch

Frederic Courbin
Institute of Physics, Laboratory of Astrophysics, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Observatory of Sauverny
Versoix, Switzerland
Tel: +41 22 3792418
Email: frederic.courbin@epfl.ch

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching, Germany
Tel: +49 176 62397500
Email: hubble@eso.org