2017. 8. 31. 21:21ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
그림 1> 이 그림은 폭발적으로 별을 생성해내고 있는 은하에 추락한 가스가 어떤 과정을 거쳐 중심부로부터 3만 광년의 폭으로 펼쳐져 있는 광활한 가스 저장고에 잠겨들어가는지를 묘사하고 있다.
ALMA가 폭발적으로 별을 생성해내는 은하에서 요동치는 차가운 가스들이 몰려 있는 저장고를 감지해냈다.
머나먼 우주에서 사상처음으로 메틸리다이니움(CH+)을 탐지함으로써 별생성이 왕성하게 발생하던 특별한 시기의 연구에 새로운 지평을 열게 되었다.
ALMA가 폭발적으로 별들을 생성해 내는 머나먼 은하 주위에서 격렬하게 요동치는 차가운 가스덩어리를 탐지해냈다.
머나먼 은하에서 메틸리다이니움(CH+)을 사상 처음으로 감지해낸 이번 연구 결과는 별 생성의 핵심 열쇠를 쥐고 있는 시기를 탐사할 수 있는 새로운 창문을 제공해 주고 있다.
메틸리다이니움(CH+)은 은하가 어떻게 급격한 별 생성의 기간을 늘려나갔는지를 알 수 있는 단서를 제공해주고 있다.
이번 연구 결과는 네이처지에 개재되었다.
파리고등사범학교 및 파리 천문대의 에디스 팔가롱(Edith Falgarone)이 이끄는 연구팀이 ALMA(아타카마 밀리미터 및 서브밀리미터 거대 배열망원경, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용하여 별들을 격렬하게 생성하고 있는 머나먼 은하에서 탄화수소화물 분자인 메틸리다이니움(CH+)[1]의 신호를 탐지해냈다[2].
우주의 속눈썹(the Cosmic Eyelash)이라 불리는 은하를 포함하여 이번에 연구 대상이 된 6개 은하 중 5개 은하에서 메틸리다이니움의 강력한 신호가 감지되었다.[3]
이번 연구는 천문학자들이 은하가 어떻게 성장하는지, 은하가 주위 별 생성에 어떻게 연료를 공급하는지를 이해할 수 있는 새로운 정보를 제공해주고 있다.
이번 논문작업에 참여한 ESO의 천문학자 마틴 쯔완(Martin Zwaan)의 설명은 다음과 같다.
"메틸리다이니움은 특별한 분자입니다.
이 분자는 형성되는데 많은 에너지를 필요로 하고 반응성이 굉장히 높습니다.
이것이 의미하는 것은 이 분자가 유지되는 시간이 아주 짧아서 멀리까지 운반될 수 없다는 것이죠.
따라서 메틸리다이니움은 은하와 그 주변에서 에너지가 어떻게 흐르는지를 추적할 수 있는 지표가 됩니다."
메틸리다이니움이 어떻게 에너지를 추적하는 단서가 되는지는 달이 없는 어두운 열대바다에서 배가 떠다니는 모습으로 상상해 볼 수 있다.
모든 조건에 이상이 없다면 형광성 플랑크톤이 배 주위에 몰려들어 빛을 밝히게 된다.
배가 지나가면서 일으킨 물살은 플랑크톤을 자극하여 빛을 뿜어내게 만드는데 이는 검은 물 아래 물살이 흔들리고 있는 지역이 있음을 말해주는 단서가 되는 것이다.
메틸리다이니움은 전적으로 가스가 퍼져 흐르고 있는 좁은 지역에서 생성되기 때문에 메틸리다이니움을 인지한다는 것은 은하 전체 영역에서 에너지가 어떻게 흐르는지를 알 수 있는 단서가 되는 것이다.
관측된 메틸리다이니움은 뜨겁고 빠르게 움직이는 은하의 폭풍에 에너지를 공급받는 고밀도 충격파의 존재를 드러내준다.
이 폭풍은 은하 내부의 별생성구역에서 발생한 것이다.
이 폭풍들은 은하를 관통하며 물질을 바깥으로 밀어내는데 이 물질의 일부가 다시 은하 자체의 중력에 되잡히면서 격렬한 요동을 만들어내게 된다.
이 물질들은 차가운 저밀도 가스의 거대한 저장고로 모여들게 되는데 이 지역이 은하의 별생성구역으로부터 무려 3만 광년 이상 뻗어나가 있다.[4]
이번 논문의 주저자인 팔가롱의 설명은 다음과 같다.
"메틸리다이니움을 이용함으로써 우리는 은하 크기만큼이나 광활한 폭풍 속에 에너지가 존재하며 이 에너지는 예전에는 보이지 않던, 은하를 둘러싼 차가운 가스의 저장고에 요동을 만들어내며 사그라든다는 것을 알게 되었습니다.
우리의 연구 결과는 은하 진화이론에 하나의 도전이 됩니다.
이 가스 저장고에 요동이 만들어짐으로써 발생하는 은하 폭풍은 활발하게 별들을 만들어내는 기간을 늘리게 되죠."
연구팀은 은하의 폭풍이 그 자체로는 이번에 새로 발견된 가스 저장고를 채우지 못하며 현대 이론이 예견한 바와 같이 은하의 충돌이나 눈에는 보이지 않는 숨겨진 가스의 강착에 의해 채워진다고 판단하였다.
이번 논문의 공동저자인 ESO 과학국 롭 이비손(Rob Ivison)의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 초기 우주에서 왕성하게 별들을 만들어내던 대부분의 은하 주위에서 안쪽으로 몰아쳐들어오는 물질들이 어떻게 조절되는지에 대해 우리의 이해수준을 큰 폭으로 향상시키는 계기가 되고 있습니다.
또한 이번 결과는 다양한 분야의 과학자들이 함께 강력한 관측설비를 이용하였을 때 어떤 성취를 이뤄낼 수 있는지를 잘 보여주고 있습니다. "
사진 1> 이 사진은 ALMA가 촬영한 우주의 속눈썹(the Cosmic Eyelash)은하의 모습이다.
대단히 멀리 떨어져 있는 이 은하는 폭발적으로 별이 생성되고 있는 은하이며 중력렌즈작용에 의해 그 크기는 두배로 늘어나 있고 밝기도 훨씬 밝아진 상태이다.
ALMA는 이 은하 및 이와 유사한 은하 주위에서 요동치는 차가운 가스들이 몰려 있는 저장고를 감지해냈다.
이 머나먼 우주에서 사상처음으로 메틸리다이니움(CH+)을 탐지함으로써 별생성이 왕성하게 발생하던 특별한 시기의 연구에 새로운 창을 열게 되었다.
각주
[1] 메틸리다이니움(CH+)은 탄소 및 수소화합물(CH)의 양이온으로서 화학자들에게는 메틸리다이니움(methylidynium)이라는 이름으로 알려져 있다.
이 분자는 별사이우주공간의 매질에서 처음으로 발견된 세 가지 분자 중 하나이다.
1940년대 초 이 분자가 발견된 이래 별사이 우주공간에서 메틸리다이니움의 존재는 수수께끼로 남아 있다.
왜냐하면 이 분자는 극단적인 반응성을 가지고 있어 다른 분자들보다 훨씬 빠르게 사라지기 때문이다.
[2] 이 은하들은 조용한 상태를 유지하고 있는 우리은하 미리내와 비교했을 때 훨씬 높은 비율로 별들을 생성하는 은하들이다.
이러한 특성은 이 은하들을 은하의 성장과 가스와 먼지, 별과 블랙홀 간의 상호작용을 연구하는데 최상의 대상이 되도록 해준다.
[3] ALMA는 각 은하의 분광 데이터를 획득하기 위해 사용되었다.
분광 데이터는 빛의 기록이다.
천체들은 대개 서로 다른 여러 개의 색깔로 파장이 분리된다.
이는 마치 물방울에 빛이 투과되면서 무지개를 만들어내는 것과 같은 원리이다.
모든 빛의 구성요소들은 스펙트럼상에서 저마다의 고유한 지문을 가지고 있다.
이러한 분광 데이터는 관측 대상의 화학적 구성요소를 결정하는데 사용될 수 있다.
[4] 이 가스 저장고는 퀘이사 주위를 둘러싸고 빛을 뿜어내는 거대한 헤일로와 같은 속성을 가지고 있을 것으로 추정된다.
출처 : 유럽 남부천문대(European Southern Observatory) Science Release 2017년 8월 30일자
http://www.eso.org/public/news/eso1727/
참고 : 우주의 속눈썹(the Cosmic Eyelash)은하를 비롯한 은하 및 은하단에 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>
eso1727 — Science Release
ALMA Finds Huge Hidden Reservoirs of Turbulent Gas in Distant Galaxies
First detection of CH+ molecules in distant starburst galaxies provides insight into star formation history of the Universe
30 August 2017
ALMA has been used to detect turbulent reservoirs of cold gas surrounding distant starburst galaxies. By detecting CH+ for the first time in the distant Universe this research opens up a new window of exploration into a critical epoch of star formation. The presence of this molecule sheds new light on how galaxies manage to extend their period of rapid star formation. The results appear in the journal Nature.
A team led by Edith Falgarone (Ecole Normale Supérieure and Observatoire de Paris, France) has used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to detect signatures of the carbon hydride molecule CH+ [1] in distant starburst galaxies [2]. The group identified strong signals of CH+ in five out of the six galaxies studied, including the Cosmic Eyelash (eso1012) [3]. This research provides new information that helps astronomers understand the growth of galaxies and how a galaxy’s surroundings fuel star formation.
“CH+ is a special molecule. It needs a lot of energy to form and is very reactive, which means its lifetime is very short and it can’t be transported far. CH+ therefore traces how energy flows in the galaxies and their surroundings,” said Martin Zwaan, an astronomer at ESO, who contributed to the paper.
How CH+ traces energy can be thought of by analogy to being on a boat in a tropical ocean on a dark, moonless night. When the conditions are right, fluorescent plankton can light up around the boat as it sails. The turbulence caused by the boat sliding through the water excites the plankton to emit light, which reveals the existence of the the turbulent regions in the underlying dark water. Since CH+ forms exclusively in small areas where turbulent motions of gas dissipates, its detection in essence traces energy on a galactic scale.
The observed CH+ reveals dense shock waves, powered by hot, fast galactic winds originating inside the galaxies’ star forming regions. These winds flow through a galaxy, and push material out of it, but their turbulent motions are such that part of the material can be re-captured by the gravitational pull of the galaxy itself. This material gathers into huge turbulent reservoirs of cool, low-density gas, extending more than 30 000 light-years from the galaxy’s star forming region [4].
“With CH+, we learn that energy is stored within vast galaxy-sized winds and ends up as turbulent motions in previously unseen reservoirs of cold gas surrounding the galaxy,” said Falgarone, who is lead author of the new paper. “Our results challenge the theory of galaxy evolution. By driving turbulence in the reservoirs, these galactic winds extend the starburst phase instead of quenching it.”
The team determined that galactic winds alone could not replenish the newly revealed gaseous reservoirs and suggests that the mass is provided by galactic mergers or accretion from hidden streams of gas, as predicted by current theory.
“This discovery represents a major step forward in our understanding of how the inflow of material is regulated around the most intense starburst galaxies in the early Universe,” says ESO’s Director for Science, Rob Ivison, a co-author on the paper. “It shows what can be achieved when scientists from a variety of disciplines come together to exploit the capabilities of the world's most powerful telescope.”
Notes
[1] CH+ is an ion of the CH molecule known as methylidynium to chemists. It is one of the first three molecules ever discovered in the interstellar medium. Since its discovery in the early 1940s, the presence of CH+ in interstellar space has been a mystery because it is extremely reactive and hence disappears more quickly than other molecules.
[2] These galaxies are known for a much higher rate of star formation compared to sedate Milky Way-like galaxies, making these structures ideal to study galaxy growth and the interplay between gas, dust, stars, and the black holes at the centres of galaxies.
[3] ALMA was used to obtain spectra of each galaxy. A spectrum is a record of light, typically of an astronomical object, split into its different colours (or wavelengths), in much the same way that rain droplets disperse light to form a rainbow. Since every element has a unique “fingerprint” in a spectrum, spectra can be used to determine the chemical composition of observed objects.
[4] These turbulent reservoirs of diffuse gas may be of the same nature as the giant glowing haloes seen around distant quasars.
More information
This research was presented in a paper entitled “Large turbulent reservoirs of cold molecular gas around high redshift starburst galaxies” by E. Falgarone et al., to appear in Nature on 30 August 2017.
The team is composed of E. Falgarone (Ecole Normale Supérieure and Observatoire de Paris, France), M.A. Zwaan (ESO, Germany), B. Godard (Ecole Normale Supérieure and Observatoire de Paris, France), E. Bergin (University of Michigan, USA), R.J. Ivison (ESO, Germany; University of Edinburgh, UK), P. M. Andreani (ESO, Germany), F. Bournaud (CEA/AIM, France), R. S. Bussmann (Cornell University, USA), D. Elbaz (CEA/AIM, France), A. Omont (IAP, CNRS, Sorbonne Universités, France), I. Oteo (University of Edinburgh, UK; ESO, Germany) and F. Walter (Max-Planck-Institut für Astronomie, Germany).
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 and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.
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