외부은하를 이용하여 일반상대성이론을 검증하다.

 

Credit:ESO, ESA/Hubble, NASA

 

사진 1>이 사진은 허블우주망원경과 VLT에 장착된 MUSE가 수집한 데이터로 만들어낸 ESO 325-G004 은하의 사진이다.

MUSE는 ESO 325-G004 은하 내부의 별들의 속도를 측정하였으며 이를 통해 속도분산지도를 도출하였다.     

별들의 속도는 천문학자들로 하여금 ESO 325-G004의 질량을 측정할 수 있는 단서를 제공해준다.

네모 상자에는 중력렌즈효과로 나타나는 아인슈타인의 고리가 담겨 있다. 

아인슈타인의 고리를 보려면 은하의 빛을 모두 제거해야 한다.  

 

천문학자들이 ESO VLT에 장착된 MUSE와 허블우주망원경을 이용하여 미리내 바깥지역에서 아인슈타인의 일반상대성을 이론을 가장 정밀하게 측정하는 실험을 진행했다.

근거리 은하인 ESO 325-G004 는 강력한 중력렌즈처럼 작용하며 멀리 떨어진 은하의 빛을 뒤틀어놓으면서 아인슈타인의 고리를 만들어내고 있는 은하이다.

천문학자들은 ESO 325-G004의 질량과 그 주변에 형성된 공간의 곡률을 비교함으로써 천문학적 범위에서 나타나는 중력이 일반상대성이론에서 예견된바와 같이 나타나고 있다는 것을 발견했다.

이러한 사실은 중력에 대한 여타 이론들을 배척하는 결과이다.

 

영국 포츠머스대학교의 토마스 콜레트(Thomas Collett)가 이끄는 연구팀은 VLT에 장착된 MUSE를 이용하여 근거리의 타원은하인 ESO 325-G004 내부의 별들의 움직임을 측정함으로써 이 은하의 질량을 처음으로 측정해냈다.

 

콜레트의 설명은 다음과 같다.

"우리는 VLT의 데이터를 이용하여 ESO 325-G004가 품고 있는 별들이 얼마나 빨리 움직이는지를 측정했습니다. 

이러한 측정 결과는 이 은하가 이 별들을 움켜쥐고 있기 위해 얼마만큼의 질량을 가지고 있는지를 추정할 수 있게 해주죠."

 

그런데 연구팀은 이 은하를 또다른 측면에서도 측정할 수 있었다.

허블우주망원경을 이용하여 이 은하의 뒷편으로 멀리 떨어진 은하로부터 오는 빛이 뒤틀리면서 만들어진 아인슈타인의 고리를 관측할 수 있었던 것이다.

 

천문학자들은 이 고리를 이용하여 ESO 325-G004의 거대한 질량이 어떻게 시공간을 뒤틀어놓고 있는지도 측정할 수 있었다.

 

아인슈타인의 일반상대성 이론은 특정 천체가 그 주변의 시공간을 변형시키면서 이 지역을 통과하는 빛을 굴절시킬 수 있다고 예견한 바 있다.

바로 이러한 현상이 중력렌즈라는 이름으로 알려져 있다.

이러한 효과가 눈에 띠려면 매우 무거운 질량을 가진 천체여야만 한다.

 

강력한 중력렌즈 현상을 보이는 천체로서 지금까지 알려진 것은 백여 개 정도인데 이들은 너무나 멀리 떨어져 있어 정확한 질량 측정이 쉽지 않은 천체들이다.

그러나 ESO 325-G004 은하는 약 4억 5천만 광년이라는 상대적으로 가까운 거리에 위치하는 중력렌즈 은하이다.

 

콜레트의 설명은 다음과 같다.  

"우리는 MUSE의 관측 데이터를 이용하여 ESO 325-G004의 질량을 측정했고 허블우주망원경을 이용하여 중력렌즈의 양을 측정했습니다. 

그리고 이 두 개 측정치를 비교하여 중력의 강도를 측정했죠.

그 결과는 일반상대성이론의 예측치와 거의 일치했습니다. 

불확실성은 9%에 지나지 않았죠. 

이번 연구는 그저 딱 하나의 은하를 가지고 연구한 결과입니다."

 

일반상대성이론은 태양계 크기 범주에서, 그리고 미리내 중심의 블랙홀과 그 주위를 돌고 있는 별들의 움직임에 대해서 매우 정교한 연구하에 테스트되어왔다. 

그러나 이보다 좀더 큰 천문학적 범주에서는 정확한 검증이 이루어지지 않았었다.

 

중력의 장거리 속성을 규명하는 것은 오늘날의 우주론을 검증하는데 필수적인 요소에 해당한다.

그러한 견지에서 이번 연구는 일반상대성이론에 대한 중력대체모델에 중요한 단서를 제공하고 있다.

 

일반상대성이론을 대체하는 여러 이론들은 시공간의 곡률을 만들어내는 중력의 효과를 "규모에 종속되는 속성"으로 예견하고 있다.

이러한 전제가 의미하는 것은서로 다른 천문학적 거리 범주에서 중력은 다르게 나타날 수 있다는 점을 의미한다.

 

콜레트와 동료들의 연구결과는 이러한 전제가 6000 광년 이상의 거리 범주에서 발생하는 것이 아니라면 맞지 않을 확률이 크다는 점을 시사하고 있다.

 

연구팀의 일원인 포츠머스 대학 밥 니콜(Bob Nichol)의 소감은 다음과 같다.

"우주는 우리가 실험실로 활용할 수 있는 중력렌즈와 같은 단서를 제공해주는 놀라운 공간입니다.

중력렌즈는 아인슈타인의 이론이 옳다는 것을 검증해주는 최상의 망원경이라 할 수 있죠."

 

 

Credit:ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calcada (ESO), Y. Hezaveh et al.

 

사진 2> 이 개념도는 멀리 떨어진 은하의 빛이 앞쪽에 위치한 은하이 중력효과에 의해 어떤 영향을 받는지를 보여주고 있다. 

앞쪽에 위치한 은하는 마치 렌즈처럼 작용하면서 멀리 떨어진 은하의 빛을 굴절시킨다. 

이 때 이 빛은 더 밝아지고 아인슈타인의 고리라고 알려진 독특한 고리모양을 연출하게 된다.

이 고리를 분석한 결과 멀리 떨어져 있는 은하는 별을 만들어내고 있는 은하이며 그 밝기는 태양의 40조배에 달하는 은하로서 중력렌즈 효과로 인해 밝기는 22배 더 밝아졌음이 밝혀졌다.

 

Credit:ESO, ESA/Hubble, NASA

 

사진 3> 이 도표는 ESO 325-G004 은하의 질량을 측정하는데 사용된 두 가지 방법을 비교하고 있다.

첫번째 방법은 VLT를 이용하여 ESO 325-G004 은하가 품고 있는 별들의 속도를 측정하는 방법이다.

두번째 방법은 허블우주망원경을 이용하여 중력렌즈로서 작용한 ESO 325-G004 은하가 만들어낸 아인슈타인의 고리를 관측하는 방법이다.

이러한 두가지 방법으로 획득한 ESO 325-G004 은하의 중력강도를 비교함으로써 아인슈타인이 제창한 일반상대성이론이 미리내 외부의 은하에서도 동일하게 작용하고 있음을 알 수 있었다. 

일반상대성이론이 외부은하의 범주에서 검증되기는 이번이 처음이다.

 

Credit:NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

 

사진 4> 허블우주망원경이 촬영한 이 사진은 Abell S0740 은하단이 품고 있는 다양한 은하를 보여주고 있다. 

이 은하단은 켄타우루스 방향으로 4억 5천만 광년 거리에 위치하고 있다.

거대한 타원은하 ESO 325-G004가 한복판에 보인다.

허블우주망원경의 해상도는 이 은하 주위를 도는 구상성단 수천 개를 구분해 낼 수 있다.

구상성단이란 수십만 개의 별이 서로 중력적으로 엮여 있는 별무리를 말한다.

희뿌연 헤일로에 파묻혀 있는 이 구상성단들이 마치 작은 빛점처럼 보인다.

이 사진은 2005년 1월, 허블과학관측을 통해 촬영된 사진과 1년 후 허블헤리티지관측을 통해 촬영된 3원색 사진을 이용하여 만들어졌다.

사진은 허블 ACS카메라로 촬영되었으며 파란색, 빨간색, 적외선 필터가 사용되었다.

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2018년 6월 21일자 

        http://www.eso.org/public/news/eso1819/

         

참고 : ESO 325-G004를 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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>

eso1819 — Science Release

VLT Makes Most Precise Test of Einstein’s General Relativity Outside Milky Way

21 June 2018

Astronomers using the MUSE instrument on ESO’s Very Large Telescope in Chile, and the NASA/ESA Hubble Space Telescope, have made the most precise test yet of Einstein’s general theory of relativity outside the Milky Way. The nearby galaxy ESO 325-G004 acts as a strong gravitational lens, distorting light from a distant galaxy behind it to create an Einstein ring around its centre. By comparing the mass of ESO 325-G004 with the curvature of space around it, the astronomers found that gravity on these astronomical length-scales behaves as predicted by general relativity. This rules out some alternative theories of gravity.

Using the MUSE instrument on ESO’s VLT, a team led by Thomas Collett from the University of Portsmouth in the UK first calculated the mass of ESO 325-G004 by measuring the movement of stars within this nearby elliptical galaxy.

Collett explains “We used data from the Very Large Telescope in Chile to measure how fast the stars were moving in ESO 325-G004 — this allowed us to infer how much mass there must be in the galaxy to hold these stars in orbit.”

But the team was also able to measure another aspect of gravity. Using the NASA/ESA Hubble Space Telescope, they observed an Einstein ring resulting from light from a distant galaxy being distorted by the intervening ESO 325-G004. Observing the ring allowed the astronomers to measure how light, and therefore spacetime, is being distorted by the huge mass of ESO 325-G004.

Einstein’s general theory of relativity predicts that objects deform spacetime around them, causing any light that passes by to be deflected. This results in a phenomenon known as gravitational lensing. This effect is only noticeable for very massive objects. A few hundred strong gravitational lenses are known, but most are too distant to precisely measure their mass. However, the galaxy ESO 325-G004 is one of the closest lenses, at just 450 million light-years from Earth.

Collett continues “We know the mass of the foreground galaxy from MUSE and we measured the amount of gravitational lensing we see from Hubble. We then compared these two ways to measure the strength of gravity — and the result was just what general relativity predicts, with an uncertainty of only 9 percent. This is the most precise test of general relativity outside the Milky Way to date. And this using just one galaxy!”

General relativity has been tested with exquisite accuracy on Solar System scales, and the motions of stars around the black hole at the centre of the Milky Way are under detailed study, but previously there had been no precise tests on larger astronomical scales. Testing the long range properties of gravity is vital to validate our current cosmological model.

These findings may have important implications for models of gravity alternative to general relativity. These alternative theories predict that the effects of gravity on the curvature of spacetime are “scale dependent”. This means that gravity should behave differently across astronomical length-scales from the way it behaves on the smaller scales of the Solar System. Collett and his team found that this is unlikely to be true unless these differences only occur on length scales larger than 6000 light-years.

“The Universe is an amazing place providing such lenses which we can use as our laboratories,” adds team member Bob Nichol, from the University of Portsmouth. “It is so satisfying to use the best telescopes in the world to challenge Einstein, only to find out how right he was.”

More information

This research was presented in a paper entitled “A precise extragalactic test of General Relativity” by Collett et al., to appear in the journal Science.

The team is composed of T. E. Collett (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK), L. J. Oldham (Institute of Astronomy, University of Cambridge, Cambridge, UK), R. Smith (Centre for Extragalactic Astronomy, Durham University, Durham, UK), M. W. Auger (Institute of Astronomy, University of Cambridge, Cambridge, UK), K. B. Westfall (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK; University of California Observatories – Lick Observatory, Santa Cruz, USA), D. Bacon (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK), R. C. Nichol (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK), K. L. Masters (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK), K. Koyama (Institute of Cosmology and Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth, UK), R. van den Bosch (Max Planck Institute for Astronomy, Königstuhl, Heidelberg, Germany).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 15 Member States: Austria, Belgium, 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 and with Australia as a strategic partner. 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”.

Links

• Research paper
• ESA/Hubble release
• Photos of the VLT
• Information about the MUSE instrument on the VLT

Contacts

Thomas Collett
Institute of Cosmology and Gravitation — University of Portsmouth
Portsmouth, UK
Tel: +44 239 284 5146
Email: thomas.collett@port.ac.uk

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: pio@eso.org

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