NGC 1052-DF2 : 암흑물질이 존재하지 않는 괴상한 은하

 

Credits NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)

 

사진 1> 허블우주망원경이 암흑물질이 없는 유령과 같은 은하를 탐지해냈다.

우리은하 미리내와 같은 거대한 규모를 자랑하는 이 은하는 너무나 듬성듬성 퍼져있는 은하로서 그 뒤에 위치하는 은하들까지 명쾌하게 볼 수 있어 천문학자들이 '투명한' 은하라고 부른다.

NGC 1052-DF2로 명명되어 있는 이 유령과 같은 은하는 주목할만한 중심지역을 갖고 있지도 않고 눈에 띠는 나선팔이나 원반과 같이 일반적인 나선은하가 갖고 있는 형태를 일체 갖고 있지 않다.

그렇다고 이 은하가 타원은하인 것도 아니다.

심지어 이 은하가 품고 있는 구상성단도 특이하기만 하다.

구상성단의 규모가 다른 은하에서 보이는 구상성단보다 2배 이상 큰 것이다.

그러나 이 모든 특징들보다 더 괴상한 이 은하의 특징은 바로 이 은하가 암흑물질을 거의 가지고 있지 않다는 점이다.

우주의 상당부분을 구성하는, 눈에 보이지 않는 물질인 암흘물질은 은하가 형성되는데 있어 발판을 제공하는 중요한 물질이다.

암흑물질은 우리 눈에 보이는 물질인 별이나 가스와 같은 물질들이 한데 모여 있을 수 있도록 해주는 아교와 같은 역할을 한다.

그러나 이 은하가 품고 있는 암흑물질의 양은 천문학자들의 예상 대비 400분의 1 수준에 지나지 않는다.

어떻게 이런 은하가 형성되었는지는 완전히 수수께끼로 남아 있다.

이 은하의 크기는 우리은하, 미리내와 거의 비슷하지만 품고 있는 별의 수는 우리은하 대비 200분의 1밖에 되지 못한다.

크기는 크지만 희미하게 보이는 은하를 천문학자들은 '초저밀도 은하(ultra-diffuse galaxy)'로 구분하고 있다.

이 은하가 품고 있는 구상성단의 색깔을 기반으로 유추된 이 은하의 나이는 약 100억년이다.

이 은하는 약 6,500만 광년 거리에 위치하고 있다.

이 사진은 2017년 11월 16일 허블우주망원경에 의해 촬영된 것이다.

 

은하에는 일반적으로 눈에 보이는 것보다 400배는 더 많은 암흑물질이 있을 것으로 추정된다.

 

우리은하인 미리내와 같이 거대한 은하에는 암흑물질이 없을 가능성이 거의 없다.

천문학자들은 은하가 가지고 있는 빛나는 거대한 중심부와 수많은 별들을 품고 있는 가스와 먼지들로 구성된 나선팔을 통해 이 방대한 복합체를 찾아낼 수 있다.

그런데 몇몇 은하들은 이와는 달리 매우 독특한 성격을 가지고 있다.

 

이 독특한 은하들 중에는 규모는 크지만 별은 얼마 가지고 있지 않아 매우 희미하고 뿌옇게 보이는 은하가 있다. 

사실 어떤 은하들은 너무나 뿌옇게 퍼져 있는 듯 보여서 마치 거대한 목화솜뭉치처럼 보이기도 한다.

 

이런 은하들 중 하나를 허블망원경이 관측했는데 대부분의 은하들과 달리, 심지어는 유사한 외모를 가진 다른 뿌연 은하들과도 다른 독특한 특성이 하나 발견되었다.

은하가 만들어지는데 있어 기본 발판이 되는 암흑물질이 거의 존재하지 않는 은하가 발견된 것이다.

 

암흑물질은 눈에 보이지는 않지만 우주의 상당부분을 구성하는 주요 성분이며 별이나 가스와 같은 은하에서 눈에 보이는 물질들이 서로 뭉쳐져 있을 수 있도록 작용하는 성분이기도 한다.

NGC 1052-DF2 라는 이름의 이 유령과 같은 은하는 천문학자들의 예상치 대비 400분의 1이나 적은 암흑물질을 가지고 있다.

 

어떻게 이와같은 은하가 만들어지게 되었는지는 완전히 수수께끼이다.

 

이 괴상한 은하는 미리내와 거의 비슷한 크기이다. 

그러나 이 은하가 우리의 관심을 끌지 못했던 건 이 은하가 가지고 있는 별들이 우리 은하 대비 200분의 1 수준밖에 되지 않았기 때문이다.

 

이 은하가 보유하고 있는 구상성단의 색깔로 유추해 본 이 은하의 나이는 약 100억 살이다.

이 은하는 6,500만 광년 거리에 위치하고 있다.

 

마치 바늘과 실처럼 은하와 암흑물질은 늘상 함께 한다.

바늘을 찾는 사람들은 항상 실을 함께 찾기 마련이다.

그러므로 암흑물질을 거의 갖고 있지 않은 은하가 발견되었을 때 과학자들은 놀라지 않을 수 없었다.

 

눈에 보이지 않는 물질인 암흑물질은 은하가 만들어질 수 있도록 바탕을 깔아주는 물질이다.

은하에서 눈에 보이는 물질인 별과 가스 등이 함께 뭉쳐있을 수 있는 아교 역할을 하는 물질인 것이다.

 

허블망원경 수석 연구원인 예일 대학교 피터 반 도쿰(Pieter van Dokkum)의 설명은 다음과 같다.

"우리는 모든 은하들이 암흑물질을 가지고 있으며 암흑물질이 은하의 시작을 만든다고 생각하고 있었습니다. 

눈에 보이지 않는 이 수수께끼의 물질은 은하의 주요 구성물질이기도 하죠. 

따라서 암흑물질이 없는 은하를 발견하게 되리라곤 상상조차 하지 못했습니다.

결국 이 은하는 은하가 어떻게 작용하는지에 대한 우리의 일반적인 생각을 뒤집고 있습니다. 

그리고 암흑물질 역시 은하의 다른 요소들과 완전히 떨어진 독립체로 있을 수 있다는 사실도 보여주었죠.

이번 결과는 또한 은하가 형성되는 과정이 최소 하나 이상은 존재하리라는 것을 암시해주고 있습니다."

 

NGC 1052-DF2라는 이름의 이 독특한 은하가 가지고 있는 암흑물질의 양은 천문학자들의 예측지 대비 400분의 1수준이었다.

 

이 은하는 미리내와 비슷한 크기이다. 

그러나 이 은하가 보유하고 있는 별의 갯수는 미리내 대비 200분의 1밖에 되지 않기 때문에 별다른 주목을 받지 못했었다.

 

천문학자들은 이 은하를 크기는 크지만 밝기는 희미한 '초저밀도 은하'로 분류하였다.

 

2015년 머리털자리은하단 탐사 결과에 의하면 규모는 크면서 희미한 초저밀도 은하들은 놀라울 정도로 많이 존재한다.

그러나 이 '초저밀도 은하'로 분류된 은하들 중에서 암흑물질이 결핍되어 있는 은하는 하나도 존재하지 않았다.

 

즉  NGC 1052-DF2는 '초저밀도 은하'로 분류되는 은하들 중에서도 대단히 독특한 은하인 것이다.

 

반 도쿰과 그의 연구팀은 '초저밀도 은하'들을 탐사할 목적으로 뉴멕시코에 설치한 특수제작 망원경인 '잠자리 망원사진기 배열(the Dragonfly Telephoto Array)'을 이용하여 이 은하를 찾아냈다.

연구팀은 이후 하와이의 W.M.켁 망원경을 이용하여 이 은하가 품고 있는 10개 구상성단의 움직임을 측정하였다.

 

켁 망원경 관측을 통해 이 구상성단들이 상대적으로 매우 느린 속도에 해당하는 시속 36,800킬로미터의 속도로 움직인다는 사실을 알아냈다.

암흑물질이 있었다면 은하 외곽의 별이나 별무리들은 최소 3배 이상은 더 빠르게 움직여야 했다.

 

이러한 측정치를 근거로 연구팀은 이 은하의 질량을 계산하였다.

 

반 도쿰의 설명은 다음과 같다.

"만약 이곳에 암흑물질이 아예 없거나 있어도 극소량만 존재한다면 이 은하가 품고 있는 별들의 질량이 곧 은하 전체 질량이 됩니다. 즉 암흑물질을 위한 공간은 존재하지 않는 것처럼 보이죠. "

 

연구팀은 이후 허블우주망원경과 하와이 제미니 망원경을 이용하여 이 독특한 은하에 대해 좀더 상세한 연구를 진행했다.

제미니망원경의 관측결과는 이 은하가 다른 은하와 일체 상호작용을 겪고 있지는 않다는 사실을 알려주었다.

허블우주망원경은 이 은하 내의 구상성단을 식별하고 이 은하까지의 거리를 좀더 정확하게 측정하는데 도움을 주었다.

 

또한 허블우주망원경이 촬영한 사진은 이 은하의 독특한 외양도 보여주었다.

 

반 도쿰은 당시를 이렇게 회상했다.

"저는 허블우주망원경이 촬영한 사진을 거의 한 시간동안 빤히 들여다보았습니다.

이 은하는 정말 특이했죠. 

허블우주망원경과 여러 해를 함께했지만 이런 은하는 처음이었어요. 

정말 예전에는 전혀 본적이 없는 은하였죠. 

놀라운 점은 이 은하가 그냥 관통해볼 수 있는 거대한 거품과 같았다는 것입니다.

너무나 밀도가 낮아서 은하 뒤편을 볼 수 있을 정도였죠.

말그대로 투명한 은하였습니다."

 

이 은하는 눈에 띠는 중심부가 존재하지 않았으며 일반적인 나선은하에서 볼 수 있는 나선팔이나 원반도 존재하지 않았다.

하지만 그렇다고 해서 타원은하처럼 보였던 것도 아니다.

 

또한 이 은하는 그 중심에 블랙홀을 품고 있을 징조도 보여주지 않았다.

이 은하가 품고 있는 구상성단의 색깔로 유추하건대 이 은하의 나이는 대략 100억 살 수준이다.

 

심지어 이 은하가 품고 있는 구상성단들도 독특했다. 

구상성단의 크기가 다른 은하들에서 발견되는 구상성단보다 2배는 더 컸던 것이다.

 

반 도쿰의 설명은 다음과 같다.

"이 은하가 가지고 있는 거라곤 고작 별들로 이뤄진 헤일로와 구상성단이 전부였습니다. 

다른 것들은 존재하지도 않았죠.

이와 같은 은하가 존재할 것이라고는 전혀 예상된 바도 없었죠. 

이 은하는 완전 수수께끼 그 자체입니다. 모든 것이 이상한 은하죠.

어떻게 이와같은 은하가 만들어질까 하는 것에 대해서 우리는 완전히 무지한 상태입니다."

 

그러나 연구원들은 몇가지 가설을 수립하였다.

 

6,500만 광년 거리에 위치하는 NGC 1052-DF2은 거대 타원은하인 NC 1052가 포함되어 있는 일련의 은하들과 함께 자리잡고 있다.

은하의 형성은 파괴적이고 격렬한 과정이다.

반 도쿰은 수십억년 전 NGC 1052-DF2가 형성되던 당시 모종의 작용이 이 은하에서 암흑물질을 부족하게 만들었을 것이라고 제안했다.

 

또다른 가설은 거대타원은하 NGC 1052로 가스가 빨려가면서 남은 파편들에서 NGC 1052-DF2가 형성된 것으로 추정하고 있다.

NGC 1052-DF2 은하의 형성은 NGC 1052의 중심에 자리잡은 블랙홀이 성장하면서 뿜어낸 강력한 폭풍에 도움을 받았을 수도 있다.

 

그러나 과학자들은 이러한 가설들이 모두 그저 사변적일 뿐이며 지금 우리 눈앞에 보이는 은하의 성격을 모두 설명하지도 못한다고 입을 모았다.

 

연구팀은 이미 이와 유사하게 암흑물질이 결핍된 은하들을 찾는 작업에 착수한 상태이며 23개의 또다른 초저밀도 은하들을 촬영한 허블우주망원경의 사진들을 분석하고 있다.

이 중 3개가 NGC 1052-DF2와 유사한 양상을 보이고 있다.

 

반 도쿰의 소감은 다음과 같다. 

"우리가 알고 있는 모든 은하들은 암흑물질을 가지고 있습니다. 

그리고 이 은하들은 나선은하 또는 타원은하와 같은, 우리가 익히 잘 알고 있는 범주에 포함되어 있죠.

그런데 만약 그 은하에 암흑물질이 전혀 없다면 우린 어떤 은하와 맞닥뜨린 것일까요?

지금 우리가 만난 은하가 바로 그 은하일 것입니다."

 

연구팀의 연구결과는 2018년 3월 29일 네이처지에 개재되었다.

 

출처 : 허블사이트 2018년 3월 28일 발표 뉴스

       http://hubblesite.org/news_release/news/2018-16

         

참고 : NGC 1052-DF2 은하를 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하군 : https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 : https://big-crunch.tistory.com/12346977

       

원문>

Dark Matter Goes Missing in Oddball Galaxy

 

 

 

 

Galaxies and dark matter go together like peanut butter and jelly. You typically don't find one without the other.

Therefore, researchers were surprised when they uncovered a galaxy that is missing most, if not all, of its dark matter. An invisible substance, dark matter is the underlying scaffolding upon which galaxies are built. It's the glue that holds the visible matter in galaxies — stars and gas — together.

"We thought that every galaxy had dark matter and that dark matter is how a galaxy begins," said Pieter van Dokkum of Yale University in New Haven, Connecticut, lead researcher of the Hubble observations. "This invisible, mysterious substance is the most dominant aspect of any galaxy. So finding a galaxy without it is unexpected. It challenges the standard ideas of how we think galaxies work, and it shows that dark matter is real: it has its own separate existence apart from other components of galaxies. This result also suggests that there may be more than one way to form a galaxy."

The unique galaxy, called NGC 1052-DF2, contains at most 1/400th the amount of dark matter that astronomers had expected. The galaxy is as large as our Milky Way, but it had escaped attention because it contains only 1/200th the number of stars. Given the object's large size and faint appearance, astronomers classify NGC 1052-DF2 as an ultra-diffuse galaxy. A 2015 survey of the Coma galaxy cluster showed these large, faint objects to be surprisingly common.

But none of the ultra-diffuse galaxies discovered so far have been found to be lacking in dark matter. So even among this unusual class of galaxy, NGC 1052-DF2 is an oddball.

Van Dokkum and his team spotted the galaxy with the Dragonfly Telephoto Array, a custom-built telescope in New Mexico they designed to find these ghostly galaxies. They then used the W.M. Keck Observatory in Hawaii to measure the motions of 10 giant groupings of stars called globular clusters in the galaxy. Keck revealed that the globular clusters were moving at relatively low speeds, less than 23,000 miles per hour. Stars and clusters in the outskirts of galaxies containing dark matter move at least three times faster. From those measurements, the team calculated the galaxy's mass. "If there is any dark matter at all, it's very little," van Dokkum explained. "The stars in the galaxy can account for all the mass, and there doesn't seem to be any room for dark matter."

The researchers next used NASA's Hubble Space Telescope and the Gemini Observatory in Hawaii to uncover more details about the unique galaxy. Gemini revealed that the galaxy does not show signs of an interaction with another galaxy. Hubble helped them better identify the globular clusters and measure an accurate distance to the galaxy.

The Hubble images also revealed the galaxy's unusual appearance. "I spent an hour just staring at the Hubble image," van Dokkum recalled. "It's so rare, particularly these days after so many years of Hubble, that you get an image of something and you say, 'I've never seen that before.' This thing is astonishing: a gigantic blob that you can look through. It's so sparse that you see all of the galaxies behind it. It is literally a see-through galaxy."

The ghostly galaxy doesn't have a noticeable central region, or even spiral arms and a disk, typical features of a spiral galaxy. But it doesn't look like an elliptical galaxy, either. The galaxy also shows no evidence that it houses a central black hole. Based on the colors of its globular clusters, the galaxy is about 10 billion years old. Even the globular clusters are oddballs: they are twice as large as typical stellar groupings seen in other galaxies.

"It's like you take a galaxy and you only have the stellar halo and globular clusters, and it somehow forgot to make everything else," van Dokkum said. "There is no theory that predicted these types of galaxies. The galaxy is a complete mystery, as everything about it is strange. How you actually go about forming one of these things is completely unknown."

But the researchers do have some ideas. NGC 1052-DF2 resides about 65 million light-years away in a collection of galaxies that is dominated by the giant elliptical galaxy NGC 1052. Galaxy formation is turbulent and violent, and van Dokkum suggests that the growth of the fledgling massive galaxy billions of years ago perhaps played a role in NGC 1052-DF2's dark-matter deficiency.

Another idea is that gas moving toward the giant elliptical NGC 1052 may have fragmented and formed NGC 1052-DF2. The formation of NGC 1052-DF2 may have been helped by powerful winds emanating from the young black hole that was growing in the center of NGC 1052. These possibilities are speculative, however, and don't explain all of the characteristics of the observed galaxy, the researchers said.

The team is already hunting for more dark-matter deficient galaxies. They are analyzing Hubble images of 23 other diffuse galaxies. Three of them appear similar to NGC 1052-DF2.

"Every galaxy we knew about before has dark matter, and they all fall in familiar categories like spiral or elliptical galaxies," van Dokkum said. "But what would you get if there were no dark matter at all? Maybe this is what you would get."

The team's results will appear in the March 29, 2018, issue of the journal Nature.

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA (European Space Agency). NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., in Washington, D.C.

 

Credits

NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)

 

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• The science paper by P. van Dokkum et al. (Nature)
• The companion science paper by P. van Dokkum et al.
• NASA's Hubble Portal
• Journal Nature
• Hubble-Europe's Release
• Keck Observatory's Release
• Gemini Observatory's Release
• Yale University's Release
• University of Toronto's Release

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410-338-4493 / 410-338-4514 
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203-432-3019 
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