어마어마한 속도로 회전하는 슈퍼나선은하들.

CREDITS:Top row: NASA, ESA, P. Ogle and J. DePasquale (STScI). Bottom row: SDSS, P. Ogle and J. DePasquale (STScI)

 

사진 1> 첫번째 줄에 있는 세 개의 은하들은 그 질량이 우리은하 미리내의 몇 배 수준에 해당하는 은하들로서 허블우주망원경이 촬영한 사진이다. 

아래 줄에 있는 세 개의 은하들은 첫번째 줄의 은하들보다 훨씬 더 무거운 질량을 가진 "슈퍼나선은하"라는 타이틀이 붙은 은하들로서 지상에서 수행된 슬론디지털온하늘탐사를 통해 촬영된 것이다. 

슈퍼나선은하의 질량은 대개 우리 은하 미리내 질량의 10배에서 20배에 해당한다. 

하단 우측에 있는 2MFGC 08638 은하는 지금까지 알려진 은하들 중 가장 무거운 질량을 가지고 있는 은하이다. 

이 은하의 질량은 암흑물질헤일로까지 포함하여 태양 질량의 최소 40조배 이상이다. 

천문학자들은 이 은하들의 외곽에서 나타나는 회전율을 측정하여 이들을 품고 있는 암흑물질이 얼마나 되는지를 계산하였다. 

그 결과 이 은하들은 은하의 질량에서 예견된 것보다 훨씬 더 빠른 속도로 회전하고 있다는 사실이 발혀졌다. 

이처럼 빠른 회전속도는 이 은하들을 둘러싸고 있는 암흑물질헤일로의 영향 때문일 것으로 추정되며 가장 거대한 암흑물질이 품고 있는 질량은 태양 질량 대비 최소 40조 배 이상이다. 

 

 

암흑물질이 맹렬한 속도로 회전하는 거대 나선은하를 꽉 잡아두고 있다. 

평소에는 전혀 느끼지 못하겠지만 우리 태양계도 대단히 빠른 속도로 움직이고 있다. 

우리 태양을 포함해서 미리내 외곽에 포진하는 별들의 평균 속도는 초속 208킬로미터이다. 

하지만 이 속도는 가장 무거운 질량을 자랑하는 나선은하에 비할 바가 못된다. 

우리은하 미리내보다 훨씬 더 거대하고 훨씬 더 밝으며 훨씬 더 무거운 질량을 가지고 있는 이른바 “슈퍼나선은하(Super spirals)”들은 은하의 질량에서 예측되는 것보다 훨씬 더 빠른 속도인 초속 560킬로미터의 속도를 가지고 있다. 

이처럼 빠른 속도는 해당 은하가 눈에는 보이지 않으며 오직 중력으로만 그 존재가 감지되는 암흑물질의 헤일로 내에 자리잡고 있기 때문이다. 

암흑물질에 휘감겨 잇는 가장 거대한 규모의 슈퍼 나선은하를 연구한 결과 이 은하의 질량은 태양 40조개를 모아놓은 질량에 육박했다. 

슈퍼나선은하의 존재는 이른바 수정뉴턴역학(Modified Newtonian Dynamics, MOND)이라 불리는 대체중력이론이 잘못된 것이라는 사실을 보다 확실하게 알려주는 증거가 된다. 

 

은하가 얼마나 빠르게 회전할 수 있을까?

평균적인 나선은하에 해당하는 미리내의 경우 우리 태양과 이웃 별들이 가지고 있는 속도는 대략 초속 210킬로미터 정도이다. 

하지만 나선은하의 질량이 무거워질수록 속도는 예상된 속도보다 훨씬 더 빠르게 나타난다는 사실이 발견되었다. 

미리내보다 질량이 약 20배 정도 더 나가는, 가장 거대한 규모를 자랑하는 이들 슈퍼나선은하들에서 관측되는 회전 속도는 초속 570킬로미터에 육박한다. 

 

슈퍼나선은하들은 거의 모든 방면에서 예외적인 모습을 보여준다. 

이 거대한 은하들은 질량뿐만 아니라 밝기와 물리적 크기에 있어서도 훨씬 더 거대한 규모를 자랑한다. 

일반적인 나선은하인 미리내의 경우 직경이 10만 광년 임에 반해 가장 거대한 규모를 자랑하는 나선은하의 경우 그 직경은 45만 광년에 달한다. 

오늘날 알려져 있는 슈퍼나선은하의 수는 약 100개이다. 

이 슈퍼나선은하들은 슬론디지털온하늘탐사(the Sloan Digital Sky Survey, SDSS)와 NASA/IPAC외부은하데이터베이스(NASA/IPAC Extragalactic Database, NED)에서 발견된 중요하고도 새로운 등급의 은하들이다. 

 

우주망원경과학연구소 패트릭 오글(Patrick Ogle)은 슈퍼나선은하들이 많은 측정항목에서 극단적인 양상을 보여주고 있으며 은하의 자전 속도기록도 매번 경신하는 역할을 하고 있다고 말했다. 

오글은 2019년 10월 10일 아스트로피지컬 저널에 발표된 논문의 제 1 저자이다. 

이 논문을 통해 남아프리카거대망원경(the Southern African Large Telescope, SALT)으로 수집된 슈퍼나선은하들의 회전속도가 발표되었다. 

남아프리카거대망원경은 남반구에 있는 광학 망원경으로는 단일규모에서 가장 거대한 크기를 자랑하는 망원경이다. 

여기에 캘리포니아기술연구소가 운용하는 팔로마 천문대 5미터 헤일망원경으로 수집된 데이터가 추가되어다. 

NASA의 광대역적외선탐사위성(Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)이 수집한 데이터는 은하가 품고 있는 별들의 질량과 별의 생성비율을 측정하는데 핵심적인 자료가 되었다. 

 

캐이프타운 대학,  톰 자레트(Tom Jarrett)의 설명은 다음과 같다. 

“이번 연구는 광학탐사장비와 적외선탐사장비 간 협업에서 도출된 강력한 시너지 효과를 잘 보여주고 있습니다. 

 SDSS와 SALT의 분광 데이터를 통해 별의 움직임을 측정할 수 있었고 또다른 중요한 특징들 그러니까 별의 질량이나 별을 품고 있는 은하의 기본 구조 등이 WISE의 중적외선 화상을 통해 규명되었습니다.“

 

슈퍼나선은하들이 빠른 속도로 회전하는 이유는 이 은하들이 거대한 암흑물질의 헤일로 또는 암흑물질 구름 속에 자리잡고 있기 때문인 것으로 추정되고 있다. 

암흑물질의 존재는 수십년 동안 은하의 회전과 연관되어 설명되어왔다. 

천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)의 은하 회전율에 대한 선구적인 연구에 따르면 나선은하는 은하 자체가 가지고 있는 별이나 가스의 중력에 의해 계산되는 것보다 훨씬 더 빠른 속도로 돌고 있다. 

즉, 눈에 보이지 않는 물질인 암흑물질이 은하의 회전에 영향을 미치고 있음에 틀림 없는 것이다. 

특정 나선은하가 보유하고 있는 별들의 질량을 통해서 특정한 속도의 회전값을 추정할 수 있다. 

 

오글의 연구팀은 슈퍼나선은하들의 경우 계산을 통해 추정된 값보다 훨씬 더 빠른 속도로 회전하고 있음을 알게 되었다. 

그렇다면 슈퍼나선은하들은 일반적인 암흑물질헤일로보다 훨씬 더 큰 규모의 암흑물질 덩어리 안에 자리잡고 있는 셈이다. 

오글의 연구팀이 측정한 바에 따르면 가장 무거운 질량을 가진 암흑물질 헤일로의 질량은 태양 질량의 최소 40조배 이상인 것으로 계산되었다. 

이 정도의 암흑물질이라면 그저 하나의 은하를 품고 있기 보다는 일련의 은하군을 품고 있을 가능성이 더 높다. 

 

오글은 이번 연구결과는 은하의 회전이 암흑물질 헤일로의 질량에 의해 좌우된다는 점을 보여주고 있다고 설명했다. 

이러한 사실은 슈퍼나선은하의 경우 은하가 품고 있는 별들의 질량과 은하의 회전율간의 일반적인 연관관계를 다시 생각하게 만드는데 이는 동시에 수정뉴턴역학(Modified Newtonian Dynamics, MOND)에서 말하는 대체중력에 반하는 새로운 증거가 되기도 한다. 

수정뉴턴역학에 따르면 은하나 은하단과 같은 거대한 규모의 천체들에서 나타나는 중력은 뉴턴이나 아인슈타인이 예견한 중력보다 더 강하기는 하나 그 차이는 미미한 수준이라고 주장하고 있다. 

이 미미한 차이가 나선은하의 외곽에서 은하의 질량을 기반으로 예측한 것보다 회전속도가 더 빨리 일어나는 사유라고 주장하고 있는 것이다. 

수정뉴턴역학은 나선은하의 회전율에 대한 표준 연관관계를 재산정하기 위해 고안된 것이다. 

따라서 이번 연구의 대상이 된 슈퍼나선은하와 같은 예상밖의 천체에 대해서는 설명이 불가능하다. 

 

이번 슈퍼나선은하들에 대한 관측 결과는 뉴턴역학 외에 다른 요소가 필효하지 않음을 말해주고 있다. 

우주에서 가장 무거운 질량을 가지고 있는 나선은하들조차 이들을 감싸고 있는 암흑물질의 양으로 예측되는 것보다는 훨씬 더 적은 질량의 별만을 가지고 있다. 

이러한 사실은 암흑물질만의 양이 별의 생성을 억제하는 유일한 조건이 될 수 있음을 말해주기도 한다. 

암흑물질에 의해 별의 생성이 억제될 가능성에는 두 가지 시나리오가 존재한다. 

우선 뜨거운 가스가 식어야만 별이 형성될 수 있는데 은하로 빨려들어간 여분의 가스가 암흑물질과 충돌하면 가열이 되고 이로인해 별의 형성이 방해받고 있을 가능성이 있다. 또 하나의 가능성은 은하의 빠른 회전속도 때문에 야기된 원심력으로 가스구름의 붕괴가 더 어려워질 가능성이다. 

 

오글은 이번에 연구의 대상이 된 슈퍼나선은하들이 우리가 관측할 수 있는 은하들로서는 가장 거대한 규모의 은하들이었다고 말했다. 

하지만 이처럼 많은 방해요소가 있긴 하지만 슈퍼나선은하들은 여전히 별을 만들 수 있는 능력을 가지고 있다. 

가장 거대한 규모를 자랑하는 타원은하들에서는 대부분의 별들이 이미 100억년 전에 만들어졌지만 슈퍼나선은하들은 아직까지도 여전히 새로운 별들을 만들어내고 있다. 

슈퍼나선은하에서 만들어지는 별들의 총질량은 매년 태양 질량의 30배 정도 수준이다. 

슈퍼나선은하의 규모를 감안했을 때 이는 적절한 수준에 해당한다. 

우리 은하 미리내에서 매년 탄생하는 별의 질량은 태양 질량 하나 수준에 지나지 않는다. 

 

오글과 연구팀은 슈퍼나선은하에 대한 핵심적인 질문의 답을 찾기 위해 추가 연구를 계속 진행하고 있다. 

추가 연구에는 슈퍼나선은하 원반 내에 있는 가스와 별들의 고유운동 분석 등이 포함되어 있다. 

 

2021년 이후 발사될 제임스웹우주망원경은 훨씬 더 먼 거리에 있는 슈퍼나선은하들의 연구를 가능하게 해줄 것이다. 

이들은 훨씬 더 어린 시대의 슈퍼나선은하들이므로 이들이 어떻게 진화해왔는지도 연구할 수 있게 될 것이다. 

보다 넓은 영역을 바라볼 수 있는 NASA의 광대역적외선탐사망원경(Wide Field Infrared Survey Telescope, WFIRST) 역시 대단히 독특한 슈퍼나선은하들의 위치를 찾는데 도움을 줄 것이다. 

 

출처 : 허블사이트 2019년 10월 17일 발표 뉴스

       https://hubblesite.org/contents/news-releases/2019/news-2019-54

         

 

       

원문>

SUPER SPIRALS SPIN SUPER FAST

 

When it comes to galaxies, how fast is fast? The Milky Way, an average spiral galaxy, spins at a speed of 130 miles per second (210 km/sec) in our Sun’s neighborhood. New research has found that the most massive spiral galaxies spin faster than expected. These “super spirals,” the largest of which weigh about 20 times more than our Milky Way, spin at a rate of up to 350 miles per second (570 km/sec).

 

Super spirals are exceptional in almost every way. In addition to being much more massive than the Milky Way, they’re also brighter and larger in physical size. The largest span 450,000 light-years compared to the Milky Way’s 100,000-light-year diameter. only about 100 super spirals are known to date. Super spirals were discovered as an important new class of galaxies while studying data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) as well as the NASA/IPAC Extragalactic Database (NED).

 

“Super spirals are extreme by many measures,” says Patrick Ogle of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. “They break the records for rotation speeds.”

 

Ogle is first author of a paper that was published October 10, 2019 in the Astrophysical Journal Letters. The paper presents new data on the rotation rates of super spirals collected with the Southern African Large Telescope (SALT), the largest single optical telescope in the southern hemisphere. Additional data were obtained using the 5-meter Hale telescope of the Palomar Observatory, operated by the California Institute of Technology. Data from NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) mission was crucial for measuring the galaxy masses in stars and star formation rates.

 

Referring to the new study, Tom Jarrett of the University of Cape Town, South Africa says, “This work beautifully illustrates the powerful synergy between optical and infrared observations of galaxies, revealing stellar motions with SDSS and SALT spectroscopy, and other stellar properties ? notably the stellar mass or ‘backbone’ of the host galaxies ? through the WISE mid-infrared imaging."

 

Theory suggests that super spirals spin rapidly because they are located within incredibly large clouds, or halos, of dark matter. Dark matter has been linked to galaxy rotation for decades. Astronomer Vera Rubin pioneered work on galaxy rotation rates, showing that spiral galaxies rotate faster than if their gravity were solely due to the constituent stars and gas. An additional, invisible substance known as dark matter must influence galaxy rotation. A spiral galaxy of a given mass in stars is expected to rotate at a certain speed. Ogle’s team finds that super spirals significantly exceed the expected rotation rate.

 

Super spirals also reside in larger than average dark matter halos. The most massive halo that Ogle measured contains enough dark matter to weigh at least 40 trillion times as much as our Sun. That amount of dark matter would normally contain a group of galaxies rather than a single galaxy.

 

“It appears that the spin of a galaxy is set by the mass of its dark matter halo,” Ogle explains.

 

The fact that super spirals break the usual relationship between galaxy mass in stars and rotation rate is a new piece of evidence against an alternative theory of gravity known as Modified Newtonian Dynamics, or MOND. MOND proposes that on the largest scales like galaxies and galaxy clusters, gravity is slightly stronger than would be predicted by Newton or Einstein. This would cause the outer regions of a spiral galaxy, for example, to spin faster than otherwise expected based on its mass in stars. MOND is designed to reproduce the standard relationship in spiral rotation rates, therefore it cannot explain outliers like super spirals. The super spiral observations suggest no non-Newtonian dynamics is required.

 

Despite being the most massive spiral galaxies in the universe, super spirals are actually underweight in stars compared to what would be expected for the amount of dark matter they contain. This suggests that the sheer amount of dark matter inhibits star formation. There are two possible causes: 1) Any additional gas that is pulled into the galaxy crashes together and heats up, preventing it from cooling down and forming stars, or 2) The fast spin of the galaxy makes it harder for gas clouds to collapse against the influence of centrifugal force.

 

“This is the first time we’ve found spiral galaxies that are as big as they can ever get,” Ogle says.

 

Despite these disruptive influences, super spirals are still able to form stars. Although the largest elliptical galaxies formed all or most of their stars more than 10 billion years ago, super spirals are still forming stars today. They convert about 30 times the mass of the Sun into stars every year, which is normal for a galaxy of that size. By comparison, our Milky Way forms about one solar mass of stars per year.

 

Ogle and his team have proposed additional observations to help answer key questions about super spirals, including observations designed to better study the motion of gas and stars within their disks. After its 2021 launch, NASA’s James Webb Space Telescope could study super spirals at greater distances and correspondingly younger ages to learn how they evolve over time. And NASA’s WFIRST mission may help locate more super spirals, which are exceedingly rare, thanks to its large field of view.

 

The Space Telescope Science Institute is expanding the frontiers of space astronomy by hosting the science operations center of the Hubble Space Telescope, the science and operations center for the James Webb Space Telescope, and the science operations center for the future Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). STScI also houses the Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) which is a NASA-funded project to support and provide to the astronomical community a variety of astronomical data archives, and is the data repository for the Hubble, Webb, Kepler, K2, TESS missions and more.

 

KEYWORDS:

GALAXIES SPIRAL GALAXIES

 

CONTACT:

Christine Pulliam

Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

410-338-4366

cpulliam@stsci.edu

 

RELATED LINKS:

The science paper by P. Ogle et al.