2020. 2. 21. 23:34ㆍ3. 천문뉴스/허블사이트
사진 1> 솜브레로 은하는 수수께끼의 은하이다.
이 은하는 나선은하의 특징도 가지고 있으며 타원은하의 특징도 가지고 있는 하이브리드 은하이다.
또한 이 은하는 그 어떤 은하단에도 속하지 않고 홀로 외따로 떨어져 있는 은하이다.
이 은하는 어떻게 이런 특징을 갖게 되었을까?
천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 이 독특한 은하의 역사를 연구하고 있다.
이 은하의 광활한 헤일로 에서 수만 개의 별들을 분해한 후 각 별들이 품고 있는 금속성 원소를 측정해 보았다.
이를 통해 꼭꼭 숨겨진 이 은하의 기원에 대한 단서를 알 수 있었다.
왼쪽 사진은 밝은 원반과 팽대부 외부로 광활하게 펼쳐져 있는 훨씬 희미한 헤일로까지 담겨 있는 이 은하 전반의 모습을 담은 사진이다.
허블우주망원경은 이 헤일로에서 두 지역을 촬영하였다.(각 지역이 하얀색 상자 안에 표시되어 있다.)
오른쪽 하단 두 개의 사진은 허블우주망원경이 촬영한 사진이다.
주황색 상자안에 수많은 별들이 담겨 있다.
이러한 별들의 밀도는 은하의 원반 가까이로 갈수록 더더욱 높아진다.(아래 파란색 상자)
각 사진에는 밝은 구상별무리를 이루는 별들이 함께 담겨 있다. 솜브레로 은하의 헤일로에는 많은 구상별무리가 존재한다.
허블우주망원경 데이터는 다른 은하와의 헤일로와는 다른 결과를 보여줌으로써 과학자들을 놀라게 만들었다.
솜브레로 은하의 헤일로에는 금속성원소가 많은 별들이 예상보다 훨씬 많이 담겨 있었다.
더더욱 놀라웠던 것은 대개 거대한 은하의 헤일로에서 발견되는 금속성원소가 얼마 없는 늙은 별들이 솜브레로 은하의 헤일로에는 거의 없다는 사실이었다.
더더군다나 여러 개의 구상별무리에서 금속성원소가 얼마 없는 별들이 발견되었다.
대개 별들은 나이가 들어갈수록 자신이 몸담고 있던 별무리에서 벗어나게 된다.
그런데 왜 이 별들은 훨씬 더 광활한 헤일로가 아닌 구상별무리에 몰려 있는 것일까?
이처럼 이상한 현상을 설명할 수 있는 것은 이 은하가 수십억년 전 거대한 은하들과 충돌했다는 것이다.
하지만 이 은하의 원반과 헤일로가 보여주는 균일한 외형에는 거대한 충돌이 있었다는 흔적이 일체 남아 있지 않다.
허블우주망원경이 수집한 새로운 데이터는 놀랍게도 솜브레로 은하의 원반 테두리가 파괴적인 과거 사건을 숨기고 있는 것인지도 모른다는 점을 말해주고 있다.
허블우주망원경의 고해상도 고감도 관측 능력은 대개 늙은 별들로 구성된 솜브레로 은하의 중심부 너머 광활하게 펼쳐진 헤일로 안에 있는 수 만 개의 별들을 구분해 볼 수 있게 해 준다.
솜브레로 은하에 대한 최신 관측 자료는 헤일로에 금속성원소를 가득 품고 있는 많은 별들을 보여주는 한편, 금속성원소가 거의 없는 늙은 별들이 없다는 점을 알려주어 은하에 대한 전통적인 이론과 다른 결과를 보여주고 있다.
대개 금속성원소가 많은 별들은 은하 원반과 중심 팽대부에서 주로 발견되어 왔다.
어떻게 이런 현상이 가능한지에 대해서 과거 솜브레로 은하가 거대 은하와 충돌했을 거라는 가설이 대두되었지만 현재 솜브레로 은하의 장엄한 모습은 충돌 사건이 있었다는 것을 전혀 생각하지 못하게 만들고 있다.
우주망원경과학연구소 폴 고드프로이즈(Paul Goudfrooij)의 설명은 다음과 같다.
"솜브레로 은하는 좀 독특한 은하죠. 그 독특함이 이 은하를 재미있는 은하로 만들어줍니다.
이번에 허블우주망원경이 포착한 금속성 원소 측정치는 솜브레로 은하가 은하의 생성과 진화에 대해 우리에게 할 말이 많다는 것을 말해줍니다."
우주망원경과학연구소의 공동 연구자인 로저 코엔(Roger Cohen)은 솜브레로 은하에 대한 허블우주망원경의 관측 결과가 은하의 구성 성분 및 몸통에 품고 있는 금속성 원소에 대한 우리의 일반적인 이해를 다시 생각해 볼 것을 요구하고 있다고 말했다.
독특한 형태를 갖췄으면서도 밝게 빛나는 이 솜브레로 은하(M104)는 오랫동안 천문학자들과 별지기들의 한결같은 사랑을 받아왔다.
그런데 이제 이 은하가 이상한 이야기의 새로운 장을 열고 있다.
그 이상한 이야기란 금속성 원소를 풍부하게 가지고 있는 별들이 헤일로에 광활하게 펼쳐져 있다는 것이다.
일반적으로 다른 은하의 헤일로에서 관측되는 별들은 금속성 원소가 별로 없는 별들이 대다수이다.
허블우주망원경의 데이터를 분석하고 있는 과학자들은 전통적인 은하 이론과 맞지 않는 이 당황스러운 현상을 설명하기 위해 정교한 컴퓨터 모델링을 구축하였다.
그 결과 솜브레로 은하의 외형에 최근 어떤 다른 은하와도 충돌했다는 점을 말해주는 단서가 없음에도 불구하고 거대한 규모의 충돌이 있었을 것이라는 의외의 결과가 도출되었다.
이 특이한 발견과 가설이 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.
고드프로이즈는 솜브레로 은하의 헤일로 안에 금속성 원소가 없는 별들은 일체 없고 그 대신 금속성 원소가 많은 별들만이 가득 있었다는 사실은 정말 수수께끼 같은 일이라고 말했다.
일반적으로 은하의 헤일로에는 은하의 원반과는 달리 이른바 '금속'이라 불리는 무거운 원소들이 거의 없는 초기 세대의 별들이 주로 발견된다.
원소는 별들의 "생애주기"에 따라 생성된다.
수명이 오래된 은하일수록 이러한 생애 주기를 거친 별들을 더 많이 갖게 되며, 따라서 품고 있는 가스에는 더 많은 원소들이 있게 되고 그 가스로부터 만들어진 별들에는 금속성 원소들이 더 많을 수밖에 없는 것이다.
이렇게 생성된 비교적 나이도 어리고 금속성 원소들도 많은 별들은 대개 은하의 원반에서 발견되게 마련이다.
왜냐하면 바로 이 지역이 별들의 밀도가 더 높기 때문이다. 바로 이것이 일반적인 은하에 대한 이해이다.
사실을 더 복잡하게 하는 것은 금속성 원소가 거의 없는 늙은 별들로 구성된 수많은 구상별무리들이다.
이처럼 늙고 금속성 원소가 얼마 없는 별들은 결국 자신들이 몸담고 있는 별무리에서 헤일로로 떨어져 나오게 마련이다.
하지만 이러한 과정이 솜브레로 은하에서는 전혀 일어나지 않은 것처럼 보인다.
연구팀은 이러한 예상치 못한 결과의 원인으로 어떤 것들이 가능한지를 보기 위해 자신들의 연구결과를 최근의 컴퓨터 시뮬레이션과 비교해 보았다.
그 결과는 기대와는 달리, 전혀 그렇지 않을 것 같았던 솜브레로 은하가 수십억년 전에 거대한 규모의 강착이나 충돌을 겪었다는 내용이 도출되었다.
수십억년 전 수많은 위성은하들을 집어삼키며 성장했을 것으로 생각되는 우리은하 미리내와 달리 솜브레로 은하의 주요 강착은 두 개 혹은 그 이상의, 동일한 규모를 갖추고 연령도 상당하여 금속성 원소를 많이 가지고 있는 별들로 구성된 거대한 은하가 충돌하면서 만들어졌다는 것이다.
대개 위성은하들은 별들이 품고 있는 금속성 원소가 많지 않으며 이들은 주로 빅뱅으로부터 만들어진 수소나 헬륨만을 가지고 있다.
이보다 무거운 원소들은 별의 내부에서 핵합성을 통해 만들어지고 그 다음 세대의 별을 만드는데 투입된다.
그런데 이러한 과정은 우리 은하 미리내 주변에 있는 왜소은하들에서는 거의 일어나지 않는다.
이런 작용은 규모도 더 크고 진화도 더 많이 된 은하들에서 발생하는 현상이다.
이번 연구 결과가 놀라운 것은 솜브레로 은하가 일체 다른 은하와의 충돌을 상상할 수 없을만큼 균일한 원반을 가지고 있기 때문이다.
이는 다른 은하와 충돌을 겪고 있는 수많은 은하들과 비교해 보면 알 수 있다.
예를 들어 충돌 은하의 대표적인 예이기도 한 더듬이 은하를 구성하는 은하들을 보면 각 은하들은 서로간에 겪고 있는 중력조석작용 때문에 나선팔을 비롯한 외형이 완전히 뒤틀려 있다.
그리고 그처럼 심하게 뒤틀린 외형 때문에 '더듬이 은하(Antennae galaxies)'라는 별명까지 얻게 되었다.
(참고 : 더듬이 은하 사진 )
유사한 규모를 가지고 있는 거대 은하들끼리 충돌하면 일반적으로 물질분포가 균일하며 거대한 헤일로를 가진 거대 타원은하가 만들어지며 이러한 과정은 수십억 년이 소요된다.
하지만 솜브레로 은하는 나선은하라든가 타원은하라는 전통적인 정의의 그 어디에도 꼭 맞아 떨어지는 은하가 아니다.
즉, 나선은하의 특성도 있고 타원은하의 특성도 있는 일종의 하이브리드 은하인 것이다.
이번 특별한 연구 프로젝트를 위해 연구팀은 형태적으로 독특한 솜브레로 은하를 선택하였다.
원래 연구팀은 이러한 하이브리드 은하가 어떻게 형성될 수 있었으며 오랜 시간동안 어떻게 만들어져왔는지를 알고자 했다.
은하 헤일로의 금속성원소 분포에 대한 후속 연구를 위해 상당히 멀리 떨어져 있지만 솜브레로 은하와 유사한 은하들에 대한 관측이 계속될 것이다.
또한 연구팀은 솜브레로 은하의 독특한 속성에 대한 연구를 계속하기 위해 향후 관측이 계속될 수 있기를 희망하고 있다.
출처 : 허블사이트 2020년 2월 20일 발표 뉴스
https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-08#section-id-2
참고 : 솜브레로 은하를 포함한 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>
BEYOND THE BRIM, SOMBRERO GALAXY'S HALO SUGGESTS A TURBULENT PAST
Surprising new data from NASA's Hubble Space Telescope suggests the smooth, settled "brim" of the Sombrero galaxy's disk may be concealing a turbulent past. Hubble's sharpness and sensitivity resolves tens of thousands of individual stars in the Sombrero's vast, extended halo, the region beyond a galaxy's central portion, typically made of older stars. These latest observations of the Sombrero are turning conventional theory on its head, showing only a tiny fraction of older, metal-poor stars in the halo, plus an unexpected abundance of metal-rich stars typically found only in a galaxy's disk, and the central bulge. Past major galaxy mergers are a possible explanation, though the stately Sombrero shows none of the messy evidence of a recent merger of massive galaxies.
"The Sombrero has always been a bit of a weird galaxy, which is what makes it so interesting," said Paul Goudfrooij of the Space Telescope Science Institute (STScI), Baltimore, Maryland. "Hubble's metallicity measurements (i.e.: the abundance of heavy elements in the stars) are another indication that the Sombrero has a lot to teach us about galaxy assembly and evolution."
"Hubble's observations of the Sombrero's halo are turning our generally accepted understanding of galaxy makeup and metallicity on its head," added co-investigator Roger Cohen of STScI.
Long a favorite of astronomers and amateur sky watchers alike for its bright beauty and curious structure, the Sombrero Galaxy (M104) now has a new chapter in its strange story — an extended halo of metal-rich stars with barely a sign of the expected metal-poor stars that have been observed in the halos of other galaxies. Researchers, puzzling over the data from Hubble, turned to sophisticated computer models to suggest explanations for the perplexing inversion of conventional galactic theory. Those results suggest the equally surprising possibility of major mergers in the galaxy's past, though the Sombrero's majestic structure bears no evidence of recent disruption. The unusual findings and possible explanations are published in the Astrophysical Journal.
"The absence of metal-poor stars was a big surprise," said Goudfrooij, "and the abundance of metal-rich stars only added to the mystery."
In a galaxy's halo astronomers expect to find earlier generations of stars with less heavy elements, called metals, as compared to the crowded stellar cities in the main disk of a galaxy. Elements are created through the stellar "lifecycle" process, and the longer a galaxy has had stars going through this cycle, the more element-rich the gas and the higher-metallicity the stars that form from that gas. These younger, high-metallicity stars are typically found in the main disk of the galaxy where the stellar population is denser — or so goes the conventional wisdom.
Complicating the facts is the presence of many old, metal-poor globular clusters of stars. These older, metal-poor stars are expected to eventually move out of their clusters and become part of the general stellar halo, but that process seems to have been inefficient in the Sombrero galaxy. The team compared their results with recent computer simulations to see what could be the origin of such unexpected metallicity measurements in the galaxy's halo.
The results also defied expectations, indicating that the unperturbed Sombrero had undergone major accretion, or merger, events billions of years ago. Unlike our Milky Way galaxy, which is thought to have swallowed up many small satellite galaxies in so-called "minor" accretions over billions of years, a major accretion is the merger of two or more similarly massive galaxies that are rich in later-generation, higher-metallicity stars.
The satellite galaxies only contained low metallicity stars that were largely hydrogen and helium from the big bang. Heavier elements had to be cooked up in stellar interiors through nucleosynthesis and incorporated into later generation stars. This process was rather ineffective in dwarf galaxies such as those around our Milky Way, and more effective in larger, more evolved galaxies.
The results for the Sombrero are surprising because its smooth disk shows no signs of disruption. By comparison, numerous interacting galaxies, like the iconic Antennae galaxies, get their name from the distorted appearance of their spiral arms due to the tidal forces of their interaction. Mergers of similarly massive galaxies typically coalesce into large, smooth elliptical galaxies with extended halos — a process that takes billions of years. But the Sombrero has never quite fit the traditional definition of either a spiral or an elliptical galaxy. It is somewhere in between — a hybrid.
For this particular project, the team chose the Sombrero mainly for its unique morphology. They wanted to find out how such "hybrid" galaxies might have formed and assembled over time. Follow-up studies for halo metallicity distributions will be done with several galaxies at distances similar to that of the Sombrero.
The research team looks forward to future observatories continuing the investigation into the Sombrero's unexpected properties. The Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), with a field of view 100 times that of Hubble, will be capable of capturing a continuous image of the galaxy's halo while picking up more stars in infrared light. The James Webb Space Telescope will also be valuable for its Hubble-like resolution and deeper infrared sensitivity.
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, Maryland, conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C.
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