LS1 : 중력렌즈현상을 이용하여 가장 멀리 떨어진 별을 관측하다.

 

Credit:NASA & ESA and P. Kelly (University of California, Berkeley)

 

사진 1> 이 사진은 허블우주망원경을 이용하여 발견한 가장 멀리 떨어진 별을 보여주고 있다.

왼쪽 사진은 2014년 허블 프론티어필드 프로그램에 의해 깊은 노출로 수집된 MACS J1149.5+2223 은하단의 사진 중 일부이다.

네모 상자는 2016년 5월 출현한 별의 위치이다. 

이 별은 미세중력렌즈현상에 의해 별빛이 확대되면서 나타났다.

이 사진에는 또한 초신성 레프스달이 만든 아인슈타인의 십자가 모습도 담겨 있다.

오른쪽 상단 사진은 이 별이 출현한 위치를 확대한 것으로 2011년에 촬영된 것이다.

그 아래 사진은 2016년 5월 하순에 미시중력렌즈로 출현한 별의 모습을 담고 있다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 가장 멀리 떨어진 별을 관측해냈다.

파란색으로 빛나는 이 뜨거운 별은 빅뱅이 있고 약 44억년이 지난 시점에 존재하던 별이다.

이번 연구결과는 초기 우주에서 별의 형성과 진화, 은하단의 구성요소와 암흑물질의 본성에 대한 통찰을 제공해 줄 것이다.

 

미네소타대학의 패트릭 켈리(Patrick Kelly), 칸타브리아 물리연구소의 호세 디에고(Jose Diego), 사우스캐롤라이나 대학의 스티븐 로드니(Steven Rodney)가 이끄는 국제연구팀이 2016년 4월 MACS J1149-2223 이라는 은하단에 자리잡은 특정 별을 관측해냈다.

 

허블을 이용한 이번 관측은 사실 최근 중력렌즈를 통해 관측된 레프스달(Refsdal)이라는 이름의 초신성 후속연구를 위해 진행되고 있었다.[1] 

이 와중에 초신성이 발생한 동일 은하에서 예상치않게 아주 밝은 점을 찾아낸 것이다. 

(블로그 쥔장 주 : 초신성 레프스달에 대한 포스팅은 다음의 링크를 참고하세요. https://big-crunch.tistory.com/12348391 )

 

패트릭 캘리의 설명은 다음과 같다.

"레프스달과 마찬가지로 이 별빛도 중력렌즈에 의해 확대된 상태입니다. 

그래서 허블우주망원경이 이 빛을 포착할 수 있었죠.

이 별은 초신성을 제외하고 지금까지 우리가 연구가능했던 별보다 최소 100배 이상 멀리 떨어진 별입니다."

 

'중력렌즈에 의해 확대된 별 1 (Lensed Star 1, 이하 LS1)'이란 이름이 붙은 이 별은 우주가 현재 나이 대비 30% 수준인 빅뱅으로부터 44억년 이후 시점에 존재했던 별이다.

 

이 별의 발견은 별빛이 중력렌즈 현상을 통해 2000배 이상 확대되었기 때문에 가능했다.

 

호세 디에고는 이 별빛이 허블우주망원경을 통해 충분히 감지가능할 만큼 밝아진 상태였고, 중력렌즈 현상에 감사하지 않을 수 없다는 소감을 밝혔다.

 

LS1의 빛은 거대한 은하단의 질량뿐만 아니라 이 은하단 내에 존재하는 태양 질량 대비 3배의 질량을 가진 또다른 고밀도 천체에 의해 확대되었다. 

전자에 비해 후자는 미세중력렌즈현상이라 부른다.[2]

 

스티븐 로드니(Steven Rodney)의 설명은 다음과 같다. 

"LS1의 발견은 은하단의 구성성분에 대한 새로운 통찰을 수집할 수 있게 해줍니다.

미세중력렌즈는 별이나 중성자별, 또는 별 정도의 질량을 가진 블랙홀에 의해 발생한다는 것을 알고 있죠."

 

따라서 LS1은 천문학자들로 하여금 중성자별이나 블랙홀을 연구할 수 있도록 해주는 셈이다. 

천문학자들은 이를 통해 은하단 내에 중성자별이나 작은 블랙홀과 같이 어두운 천체들이 얼마나 많이 존재하는지 계산할 수 있게 되는 것이다. 

 

은하단은 우주에서 가장 거대하고 가장 무거운 질량을 자랑하는 천체이다. 

따라서 이 은하단의 구성성분을 알아간다는 것은 우주의 구성성분에 대한 지식을 쌓아가는 과정이 된다. 

 

이번 연구결과는 또한 수수께끼의 물질인 암흑물질에 대한 정보도 제공해주고 있다.

 

캘리가 강조하는 내용은 다음과 같다. 

"근래에 제안되고 있는 것처럼, 만약 암흑물질이 최소한 한 부분이라도 상대적으로 질량이 적은 블랙홀로 구성되어 있다면 우리는 이 작은 블랙홀을 LS1의 휘어진 빛에서 볼 수 있을 것입니다. 

하지만 우리의 관측은 암흑물질의 상당부분이 태양질량의 30배 수준 정도 되는 이들 원시 블랙홀로 구성되었을 가능성에 대해서는 회의적인 결과를 보여주고 있습니다."

 

과학자들은 이 별을 발견한 후 이 별의 스팩트럼 측정을 위해 허블우주망원경을 다시 사용하였다.

분석 결과에 따르면 LS1은 B유형의 초거성으로 생각된다.

이 유형의 별들은 극단적인 밝기로 빛나는 푸른색 별로서 표면 온도는 태양 온도의 2배 이상인 11,000도에서 14,000도에 달한다.

 

그러나 이것이 끝이 아니다.

2016년 10월, 관측이 진행되던 중 이 별의 두 번째 화상을 볼 수 있었던 것이다.

 

디에고의 설명은 다음과 같다.

"이 별이 자리잡고 있는 은하도 두 번 보였기 때문에 우리는 예전에 관측을 진행할 때 이 별의 두 번째 화상이 보이지 않는다는 사실에 정말 놀라지 않을 수 없었습니다. 

아마도 이 별의 두 번째 화상은 또다른 무거운 천체로 인해 오랫동안 우리에게서 숨겨져 있었던 것 같습니다. 

그리고 그 무거운 천체가 시선에서 벗어나고 나서야 두 번째 화상을 담은 빛이 우리에게 보일 수 있었던 것이죠."

 

이 두 번째 화상과 이 별을 막고 서있었을 천체는 이 은하단의 구성성분을 밝혀 줄 또 하나의 퍼즐이 된다.

 

좀더 연구가 진행되고, 제임스 웹 우주망원경과 같은 보다 강력한 방원경이 설치되고 나면 천문학자들은 미세중력렌즈현상과 함께 우주에서 초기 별들의 생성과 진화에 대해 헐씬 더 자세한 연구를 진행할 수 있게 될 것이다. 

 

Credit:NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

 

사진 2> 이 사진은 우리로부터 50억 광년 거리에 위치하는 MACS J1149.5+223 은하단의 모습을 담고 있다.

거대한 중력을 가진 은하단은 훨씬 멀리 떨어진 천체로부터 발생한 빛을 휘어놓는다.

이 빛은 이른바 '중력렌즈' 현상에 의해 확대되고 휘어지게 된다.

이 효과는 동일한 천체에 대해서 여러 개의 형상을 만들어내기도 한다.

 

Credit:NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

 

사진 3> 사진에는 50억 광년 거리에 위치한 MACS J1149.5+223 은하단이 담겨 있다.

붉은 색 원으로 강조되어 있는 부분이 LS1이 나타난 위치이다. 

이 별의 화상은 미세중력렌즈에 이해 2,000배 강화되었다.

이 별이 속해 있는 은하는 강력한 중력렌즈효과에 의해 3번 반복해서 보인다.

 

각주

[1] 노르웨이의 천문학자 슈 레프스달(Sjur Refsdal)의 이름을 따 명명된 레프스달이라는 초신성 관측은 허블 프론티어필드 프로젝트의 일환으로 이루어졌다. 

(블로그쥔장 주  : 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields) 프로그램에 대해서는 하기 링크를 참고하세요. 
    https://big-crunch.tistory.com/12346870
    https://big-crunch.tistory.com/12347024 )

 

[2] 중력렌즈현상은 배경에 이는 희미한 천체의 빛을 강화시킨다. 

허블우주망원경은 이렇게 밝아진 빛을 포착하는 것이다. 

만약 중력렌즈 현상이 아니었다면 해당 천체는 관측되지 않았을 것이다.

이 현상을 처음으로 예측한 사람은 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이었다. 

오늘날 이 현상은 우주에서 가장 멀리 떨어진 천체를 찾는데 활용되고 있다. 

대체로 중력렌즈현상을 만들어내는 천체는 은하나 은하단이다. 

그러나 때때로 별, 심지어는 행성도 중력렌즈 현상을 만들어낼 수 있다.

중력렌즈 현상이 이처럼 비교적 작은 천체에 의해 발생할 때 이를 '미세중력렌즈(microlensing)'라고 부른다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2018년 4월 2일 Science Release

       http://www.spacetelescope.org/news/heic1807/

 

참고 : LS1을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

         

원문>

heic1807 — Science Release

Hubble uses cosmic lens to discover most distant star ever observed

2 April 2018

Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have found the most distant star ever discovered. The hot blue star existed only 4.4 billion years after the Big Bang. This discovery provides new insight into the formation and evolution of stars in the early Universe, the constituents of galaxy clusters and also on the nature of dark matter.

The international team, led by Patrick Kelly (University of Minnesota, USA), Jose Diego (Instituto de Física de Cantabria, Spain) and Steven Rodney (University of South Carolina, USA), discovered the distant star in the galaxy cluster MACS J1149-2223 in April 2016. The observations with Hubble were actually performed in order to detect and follow the latest appearance of the gravitationally lensed supernova explosion nicknamed “Refsdal” (heic1525)[1], when an unexpected point source brightened in the same galaxy that hosted the supernova.

“Like the Refsdal supernova explosion the light of this distant star got magnified, making it visible for Hubble,” says Patrick Kelly. “This star is at least 100 times farther away than the next individual star we can study, except for supernova explosions.”

The observed light from the newly discovered star, called Lensed Star 1 (LS1) was emitted when the Universe was only about 30 percent of its current age — about 4.4 billion years after the Big Bang. The detection of the star through Hubble was only possible because the light from the star was magnified 2000 times.

“The star became bright enough to be visible for Hubble thanks to a process called gravitational lensing,” explains Jose Diego. The light from LS1 was magnified not only by the huge total mass of the galaxy cluster, but also by another compact object of about three times the mass of the Sun within the galaxy cluster itself; an effect known as gravitational microlensing [2].

“The discovery of LS1 allows us to gather new insights into the constituents of the galaxy cluster. We know that the microlensing was caused by either a star, a neutron star, or a stellar-mass black hole,” explains Steven Rodney. LS1 therefore allows astronomers to study neutron stars and black holes, which are otherwise invisible and they can estimate how many of these dark objects exist within this galaxy cluster.

As galaxy clusters are among the largest and most massive structures in the Universe, learning about their constituents also increases our knowledge about the composition of the Universe overall. This includes additional information about the mysterious dark matter.

“If dark matter is at least partially made up of comparatively low-mass black holes, as it was recently proposed, we should be able to see this in the light curve of LS1. Our observations do not favour the possibility that a high fraction of dark matter is made of these primordial black holes with about 30 times the mass of the Sun”, highlights Kelly.

After the discovery the researchers used Hubble again to measure a spectrum of LS1. Based on their analysis, the astronomers think that LS1 is a B-type supergiant star. These stars are extremely luminous and blue in colour, with a surface temperature between 11 000 and 14 000 degrees Celsius; making them more than twice as hot as the Sun.

But this was not the end of the story. Observations made in October 2016 suddenly showed a second image of the star. “We were actually surprised to not have seen this second image in earlier observations, as also the galaxy the star is located in can be seen twice,” comments Diego. “We assume that the light from the second image has been deflected by another moving massive object for a long time — basically hiding the image from us. And only when the massive object moved out of the line of sight the second image of the star became visible.” This second image and the blocking object add another piece of the puzzle to reveal the makeup of galaxy clusters.

With more research and the arrival of new, more powerful telescopes like the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope, the astronomers suggest that with microlensing, it will be possible to study the evolution of the earliest stars in the Universe in greater detail than ever expected.

Notes

[1] Observations of this supernova, nicknamed Refsdal in honour of the Norwegian astronomer Sjur Refsdal, were made as part of Hubble’s Frontier Fields project.

[2] Gravitational lensing magnifies the light from fainter, background objects, allowing Hubble to see objects it would otherwise not be able to detect. The process was first predicted by Albert Einstein and is now used to find some of the most distant objects in the Universe. Usually the lensing object is a galaxy or a galaxy cluster, but in some cases it can also be a star or even a planet. When it involves these smaller objects the process is called microlensing.

More information

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

The results were released in the paper Extreme magnification of an individual star at redshift 1.5 by a galaxy-cluster lens to be published in Nature Astronomy.

The international team of astronomers in this study consists of P. Kelly (University of Minnesota, USA); J. Diego (IFAC, Instituto de F ísica de Cantabria, Spain); S. Rodney (University of South Carolina, USA); N. Kaiser (Institute for Astronomy, University of Hawaii, USA); T. Broadhurst (University of Basque Country, Spain and IKERBASQUE of the Basque Foundation for Science, Spain); A. Zitrin (Ben Gurion University of the Negev, Israel); T. Treu (University of California, Los Angeles, USA); P. Pérez-González (Universidad Complutense de Madrid, Spain); T. Morishita (University of California, Los Angeles, USA; Tohoku University, Japan) M. Jauzac (Durham University, U.K.; University of KwaZulu-Natal, South Africa); J. Selsing (University of Copenhagen, Denmark); M. Oguri (University of Tokyo, Japan); L. Pueyo (Space Telescope Science Institute, USA); T. W. Ross (University of California, Berkeley, USA); A. V. Filippenko (University of California, Berkeley, USA); N. Smith (University of Arizona, USA); J. Hjorth (University of Copenhagen, Denmark); S. B. Cenko (Goddard Space Flight Center, USA; University of Maryland, USA); Xin Wang (University of California, Los Angeles, USA); D. A. Howell (Las Cumbres Observatory, USA; University of California, Santa Barbara, USA); J. Richard (Université Claude Bernard Lyon 1, France); B. L. Frye (University of Arizona, USA); S. W. Jha (The State University of New Jersey, USA); R.J. Foley (University of California, Santa Cruz); C. Norman (the Johns Hopkins University, USA); M. Bradac (University of California, Davis, USA); WeiKang Zheng (University of California, Berkeley, USA); G. Brammer (Space Telescope Science Institute, USA); A. M. Benito (Universidade de São Paulo); A. Cava (University of Geneva, Switzerland); L. Christensen (University of Copenhagen, Denmark); S. D de Mink (University of Amsterdam, the Netherlands); Or Gaur (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA; American Museum of Natural History, USA; NSF Astronomy and Astrophysics Postdoctoral Fellow); C. Grillo (Universitá degli Studi di Milano, Italy); R. Kawamata (University of Tokyo, Japan); J. Kneib (Observatoire de Sauverny, Switzerland); T. Matheson (National Optical Astronomical Observatory, USA); C. McCully (Las Cubres Observatory, USA; University of California, Santa Barbara); M. Nonino (Osservatorio Astronomico di Trieste, Italy); I. Perez-Fournon (Instituto de Astrofísica de Canarias, Spain; Universidad de La Laguna, Spain); A. G. Reiss (The Johns Hopkins University, USA; Space Telescope Science Institute, USA); P. Rosati (Universitá degli Studi di Ferrara, Italy); K. Borello Schmidt (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Germany); K. Sharon (University of Michigan, USA); and B. J. Weiner (University of Arizona, USA)

Links

• Images of Hubble
• Hubblesite release
• Science paper

Contacts

Patrick Kelly
University of Minnesota, Twin Cities
Minneapolis, USA
Email: plkelly@umn.edu

Jose M. Diego
Instituto de Física de Cantabria
Santander, Spain
Tel: +34 942201452
Email: jdiego@ifca.unican.es

Steven Rodney
University of South Carolina
Columbia, USA
Email: srodney@sc.edu

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 176 62397500
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