2020. 2. 2. 13:20ㆍ3. 천문뉴스/허블사이트
사진 1> 각각의 사진은 머나먼 거리에 있는 퀘이사가 전면의 무거운 은하 중심핵 주위에서 굴절되고 있는 모습을 허블우주망원경이 촬영한 것이다.
이 때 은하는 마치 돋보기처럼 작용하여 배후에서 온 퀘이사의 빛을 굴절시키며 퀘이사의 모습을 여러 개 만들어낸다.
이러한 효과를 중력렌즈효과라 한다.
퀘이사는 활동성 블랙홀이 만들어내는 머나먼 우주의 가로등과도 같은 천체이다.
중력렌즈 퀘이사로부터 발생한 빛은 약간씩 다른 경로를 거쳐 지구로 도달한다.
각 경로의 길이는 시공간을 구부리는 물질의 양에 따라 달라진다.
천문학자들은 각 경로를 추적하면서 블랙홀이 물질을 먹어치울 때 발생하는 퀘이사의 깜빡임을 모니터링했다.
퀘이사가 깜빡일 때 중력렌즈를 통해 분리된 퀘이사의 빛들은 서로 다른 시간에 밝아진다.
천문학자들은 이러한 깜빡임의 순차 발생을 이용하여 중력렌즈로 분리된 각 빛줄기 간의 시간 지연을 계산했다.
이러한 시간지연 측정치는 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지를 의미하는 이른바 허블상수를 계산할 수 있도록 해 준다.
이 사진은 허블ACS카메라로 2003년과 2004년 사이에 촬영한 것이다.
천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 이전에는 전혀 시도되지 않았던 완전히 새로운 기술로 우주의 팽창률을 측정하였다.
우주가 얼마나 빠른 속도로 팽창하는지를 아는 것은 우주의 나이와 크기 및 운명을 결정지을 수 있는 대단히 중요한 일이다.
이 수수께끼를 푸는 것은 최신 천체물릭학에서 가장 큰 도전이기도 하다.
이번 연구는 과학자들이 발견한 것을 설명하는기 위해 새로운 이론이 설명할지도 모른다는 생각을 하게 만든다.
과학자들의 연구 결과는 국부우주의 측정치로부터 계산된 이른바 허블상수라 불리는 팽창률과 은하나 별조차 존재하지 않았던 초기 우주의 배경복사로부터 예측된 팽창률간의 불일치를 더더욱 강화시키고 있다.
가장 최근의 결과로 가장 정확한 측정치는 중력렌즈를 이용한 측정이다.
중력렌즈란 앞쪽에 있는 천체가 마치 거대한 돋보기처럼 작용하면서 훨씬 더 멀리 있는 천체로부터 발생한 빛을 강화시키고 뒤틀어버리는 현상을 말한다.
최근의 연구는 이정표로 활용할 수 있는 다양한 유형의 별들을 이용하여 은하까지의 정확한 거리를 측정하는 전통적인 "머나먼 우주의 사다리(cosmic distance ladder)"기법에 더이상 의존하지 않고 있다.
그 대신 과학자들은 우주의 팽창률을 계산하는데 중력렌즈를 이용하고 있다.
천문학자들은 새로 적용한 허블상수측정법을 '우주성배의 원천을 찾는 허블상수 렌즈'라는 뜻의 'H0LiCOW'(H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring, 이하 H0LiCOW)라고 이름지었다.
여기서 COSMOGRAIL은 중력렌즈를 이용한 우주론 모니터링( Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses)의 머릿글자를 딴 것으로서 중력렌즈를 모니터링하는 것을 목표로 만들어진 대규모 국제협력 프로젝트를 말한다.
여기서 원천을 의미하는 'Wellspring'이라는 단어는 퀘이사를 중력렌즈로 보여주는 천체간의 배열체계를 의미한다.
연구팀은 지난 20여 년동안 장족의 발전을 거듭하며 다듬어진 관측 및 분석 기술을 이용하여 허블상수를 계산하기 위한 H0LiCOW 값을 추론하였다.
H0LiCOW와 또다른 최근의 측정치들은 130억년 전 우주의 활동에 대해 관측한 유럽우주국 플랑크 위성의 관측 데이터를 기반으로 추론한 것보다 국부우주를 대상으로 계산한 팽창률이 예상보다 빠르다는 것을 말해주고 있다.
두 개 값들 간의 간극은 우주가 기반으로 하고 있는 물리적 변수를 이해하는데 중요한 의미를 가지고 있으며 이러한 불일치를 설명하기 위한 새로운 물리학이 필요할 지도 모른다는 점을 말해주고 있다.
H0LiCOW팀의 책임자인 독일 막스플랑크천체물리학연구소 및 대만 천문학및천체물리학연구소의 셰리 수유(Sherry Suyu)는 "두 개 결과가 일치하지 않는다는 것은 우주의 장구한 시간 동안 물질과 에너지가 어떻게 진화해 왔는지, 특히 초기 우주에서는 어떠했는지에 대한 우리의 이해가 충분하지 않다는 것을 말해주고 있는 것인지도 모릅니다."라고 말했다.
연구는 어떻게 했나?
연구팀은 허블우주망원경을 이용하여 아주 멀리 떨어진 여섯 개의 퀘이사를 관측했다.
퀘이사란 은하 중심의 초거대질량 블랙홀 주위를 도는 가스로부터 뿜어져나오는 강렬한 빛줄기를 말한다.
퀘이사는 여러가지 이유로 아주 이상적인 배경천체이다.
퀘이사는 대단히 밝고 대단히 멀리 떨어져 있으며 우주 전역에 걸쳐 분포하고 있다.
이러한 퀘이사들이 전면에 있는 무거운 은하들의 중력에 의해 네 겹으로 분할되어 보이는 것을 망원경을 통해 관측했다.
이번에 연구에서 사용된 은하들은 약 30억년에서 65억 광년 상관에 있는 은하들이다.
관측 대상이 된 퀘이사의 평균 거리는 약 55억 광년이다.
중력렌즈 작용을 받은 퀘이사의 빛줄기는 우주공간을 거쳐 지구에 올때까지 약간씩 다른 경로를 거쳤다.
그 경로의 길이는 시공간을 왜곡시키는 물질의 양에 따라 다르게 나타난다.
천문학자들은 각각의 경로를 추적하여 블랙홀이 물질을 먹어치울 때 발생하는 퀘이사의 깜빡이는 불빛을 모니터링했다.
퀘이사의 불빛이 깜빡일 때 중력렌즈 작용을 받은 사진을 보면 서로 다른 시간대에 밝기가 증가한다.
여기서 나타나는 순차적인 깜빡임을 이용하여 과학자들은 시간의 지연을 측정한다.
이러한 지연양상을 완전히 이해하기 위해 연구팀은 처음에 허블우주망원경을 이용하여 중력렌즈 작용을 하는 각 은하들의 물질 분포에 대한 정확한 지도를 만들었다.
이러한 준비를 바탕으로 은하로부터 퀘이사까지의 거리, 지구로부터 은하까지의 거리, 지구로부터 퀘이사까지의 거리에 대한 신뢰높은 추정치를 도출할 수 있었다.
이렇게 도출된 거리를 비교하여 과학자들은 우주의 팽창률을 계산할 수 있었다.
H0LiCOW 협력사업에 의해 가장 최근에 발표된 논문의 주저자인 토쿄대학 카블리 물리학 및 수학연구소 케네스 웡(Kenneth Wong)의 설명은 다음과 같다.
"지연된 각 시간의 길이는 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지를 알려주는 지표가 됩니다.
시간 지연이 짧을수록 우주의 팽창률은 더더욱 빠른 것이고, 시간지연이 더 길다면 팽창률은 더 느린게 되죠."
이러한 시간지연과정은 동일한 역에서 정확히 동일한 시간에 동일한 속도로 동일한 목적지를 향해 출발한 네 대의 열차에 비유할 수 있다.
하지만 네 대의 열차들이 모두 서로 다른 시간에 목적지에 도착하였다.
그렇다면 각각의 열차는 서로 다른 경로를 거친 것이다.
그리고 각 경로의 거리는 서로 같지 않았던 것이다.
즉 어떤 열차는 언덕을 넘어야 했고, 어떤 열차는 계곡을 지나야 했으며, 어떤 열차는 산맥을 돌아와야 했을 것이다.
우리는 다양한 도착시간을 두고 각 열차가 동일한 목적지에 도착하기 위해 거쳐야 했던 경로의 길이가 서로 달랐음을 유추할 수 있다.
이와 마찬가지로 퀘이사의 깜빡이는 빛 역시 동일하게 나타나지 않았다.
어떤 빛은 경로를 가로막고 있는 은하에서 물질이 보다 고밀도로 몰려 있는 지역의 중력에 영향을 받아 구부러진 시공간을 거쳐와야 했기 때문이다.
어떻게 비교했을까?
과학자들은 허블상수를 1메가 파섹당 초속 73킬로미터로 계산하고 있다. (불확실성 2.4%)
이것이 의미하는 것은 대상 천체가 지구로부터 거리가 330만 광년 멀어질 때마다 후퇴하는 속도가 초속 73킬로미터씩 더 빨리진다는 것을 의미한다.
연구팀의 측정 결과 역시 초신성, 허블상수, 암흑에너지상태방정식(the Supernova H0 for the Equation of State, 이하 SH0ES)팀이 머나먼 우주의 사다리 기법을 이용하여 계산한 초속 74킬로미터에 근접한 값이 도출되었다.
SH0ES의 측정치는 세페이드변광성과 초신성을 지표로 하여 측정된 다양한 은하들까지의 거리 측정치를 기반으로 하고 있다.
하지만 SH0ES와 H0LiCOW의 값은 플랑크위성의 측정치인 67과는 현저한 차이를 보인다.
이는 오늘날의 우주를 대상으로 측정한 허블상수값과 초기 우주의 관측치를 기반으로 예견된 허블상수값 간의 긴장관계인 허블텐션을 강화하고 있다.
COSMOGRAIL 프로젝트의 책임자인 스위스 로잔 연방공과대학 프레데릭 쿠어빈(Frederic Courbin)은 프로젝트 팀원들이 극복해야 했던 한 가지 문제점은 중력렌즈를 통해 관측하는 여러 퀘이사의 시간 지연 값을 COSMOGRAIL을 통해 집중적으로 모니터링하는 것이었다고 말했다.
수유의 소감은 다음과 같다.
"우리 연구팀이 고해상도 허블사진을 이용하여 만든 기법을 포함하여 은하의 물질분포를 측정하는 새로운 질량 모델링 기법들은 동시에 많이 발전되어 왔습니다.
예를 들어 퀘이사를 품고 있는 은하들의 사진은 우리로 하여금 이 기법을 재구축하게 만들어 주었죠.
지상에 위치한 망원경들이 촬영한 광대역 사진들 역시 중력렌즈가 발생하는 곳의 환경적 특성을 알 수 있게 해 주었습니다.
이들은 모두 빛을 구부리는데 영향을 미치는 것들입니다.
시간 지연효과를 결합한 새로운 질량 모델링 기법은 은하까지의 거리를 보다 정확하게 측정하는데 많은 도움을 줄 것입니다."
2012년에 시작된 H0LiCOW팀의 연구는 중력렌즈효과를 적용받고 있는 10개 퀘이사에 대한 허블우주망원경의 사진과 시간지연에 대한 정보를 보유하고 있다.
연구팀은 새로운 두 개 프로그램에 참여하고 있는 과학자들간의 협업을 통해 지속적인 연구 및 새로운 중력렌즈퀘이사에 대한 연구를 계속할 것이다.
그 중 하나인 '암흑에너지 규명을 위한 강력한 중력렌즈 탐사(STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey, STRIDES)'프로그램은 중력렌즈퀘이사를 찾고 있는 프로그램이다.
두 번째 프로그램은 '높은 각분해능을 이용한 강력한 중력렌즈(Strong-lensing at High Angular Resolution Program, 이하 SHARP)'프로그램으로 중력렌즈가 발생하고 있는 천체를 적응광학을 이용하여 W.M.켁 망원경으로 촬영하는 프로그램이다.
연구팀의 목표는 30개 이상의 중력렌즈퀘이사를 찾아내어 불확실성을 2.4%에서 1%이하로 줄이는 것이다.
2021년에 발사예정인 제임스웹우주망원경은 중력렌즈를 발생시키는 은하 내 별들의 고유운동을 분석함으로써 은하 내 암흑물질의 분포를 보다 정확하게 모델링할 수 있게 해 줄 것이고, 그 결과 허블상수 불확실성 1% 이내라는 목표를 보다 빨리 달성할 수 있게 도와줄 것이다.
H0LiCOW 팀은 수백 개의 중력렌즈 퀘이사를 연구할 수 있는 길을 개척하고 있다.
현재 천문학자들은 중력렌즈 퀘이사를 암흑에너지탐사(the Dark Energy Survey)나 파노라마관측망원경과 빠른 대응 시스템(Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, PanSTARRS)과 같은 탐사 프로그램들을 통해 발견해내고 있다.
또한 NASA의 광대역적외선탐사망원경(Wide Field Infrared Survey Telescope, WFIRST) 역시 우주의 팽창 역사를 추적하여 허블상수불일치의 원인을 규명하는데 도움을 줄 것이다.
이러한 임무들은 수천 개 초신성의 샘플링과 다양한 거리에 있는 다양한 천체의 샘플링과 같은 다양한 기법을 활용하여 허블상수값의 불일치가 측정치의 오류인지, 관측기술의 오류인지, 아니면 이론의 보완이 필요한지 등등을 결정하는데 도움을 줄 것이다.
연구팀의 연구 결과는 하와이 호눌룰루에서 열린 235차 전미천문학회에서 발표되었다.
표1 > 이 도표는 과학자들이 우주의 팽창률을 계산하는데 사용하는 다양한 기법을 보여주고 있다.
우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 아는 것은 우주의 나이와 크기, 운명을 결정하기 위한 중요한 정보이다.
우선 하나는 초기 우주를 관측하는 것이다.
천문학자들은 초기 우주 관측을 통해 허블상수를 계산한다.
두 번째 방법은 국부우주에서 나타나는 우주의 팽창을 통계적으로 분석하는 것이다.
하지만 우주론학자들이 당면하고 있는 문제점은 두 가지 접근 방법이 도출해내는 값이 같지 않다는 것이다.
서로 반대편에서 다리를 짓기 시작했는데 만들고 보니 서로 이어지지 않는 난감한 문제에 봉착한 것이다.
뭔가 잘못된 것이 분명하지만 과연 그게 무엇일까?
천체물리학자들은 관측가능한 우주의 물리적 기반에 대한 생각을 다시해야 할 필요가 있을지도 모른다고 생각하고 있다.
그림 윗부분은 국부 우주에서 우주의 팽창을 측정하는 7개의 기법을 보여주고 있다.
각각의 기법이 왼쪽에 표시되어 있다.
다리 위에 있는 각 점들의 위치는 허블 상수 값을 나타낸다.
각 점을 가로지르고 있는 선은 불확실성을 나타낸다.
이 일곱개 측정치의 평균 허블상수값은 메가파섹당 초속 73킬로미터이다.
그런데 이 수치는 그림 하단, 천문학자들이 초기 우주를 대상으로 우주의 팽창률을 계산한 기법들에서 도출된 값과 일치하지 않는다.
하지만 초기 우주를 대상으로 실시된 다섯 개의 기법은 훨씬 더 정확한 값으로 간주되고 있다.
왜냐하면 그림에서 알 수 있듯 불확실성이 훨씬 낮기 때문이다.
이 다섯 개 기법에서 도출된 허블상수 값은 메가파섹당 초속 67.4킬로미터이다.
출처 : 허블사이트 2020년 1월 8일 발표 뉴스
https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-04
참고 : 허블상수 등 우주론 및 우주일반에 관한 다양한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346979
원문>
COSMIC MAGNIFYING GLASSES YIELD INDEPENDENT MEASURE OF UNIVERSE'S EXPANSION
'3. 천문뉴스 > 허블사이트' 카테고리의 다른 글
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