허블이 발견한 암흑물질의 고리

천문학자들이 허블 우주망원경을 통해,  옛날 거대한 두 개의 은하단이 충돌하면서 생긴 암흑물질의 고리를 발견하였다.

현재까지 이 고리는 암흑물질의 존재에 대한 가장 강력한 증거가 되었다.

천문학자들은 오랫동안 은하단을 묶고 있는 중력의 근원으로서, 눈에 보이지 않는 모종의 물질이 존재할 것이라고 생각해왔다.

이러한 추측이 발생한 이유는, 우리들의 눈에만 보이는 별들로 계산한 중력이 이들 은하단을 뭉쳐있게 하기에는 충분하지 않았기 때문이다.

 

비록 이 암흑물질들이 무엇으로 구성되어 있는지는 알 수 없지만, 천문학자들은 암흑물질이야말로 우주에 널리 퍼져 있는 원소들 중 하나일 것이라고 가정하고 있다.

암흑물질 링을 발견한 팀의 일원인, 존 홉킨스 대학의 제임스 지(M. James Jee)는 이것이 암흑물질 자체를 발견한 첫번째 사례이며, 이 구조는 은하단에 존재하는 은하나 가스와는 다른 매우 독특한 구조를 가지고 있다고 말했다.

 

학자들은 이 암흑물질 고리를 지구로부터 50억 광년 떨어진 Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) 은하단의 암흑물질 분포양상에 대한 지도를 작성하던 중 우연히 발견하였다.

이 고리의 지름은 260만 광년으로 측정되었다.

비록 이 암흑물질을 직접 볼 수는 없지만, 은하단에 존재하는 암흑물질의 존재는 뒷편에 멀리 존재하는 은하들로부터 생성된 빛이 어떻게 중력렌즈현상을 보이는가를 관측함으로서 추정할 수 있다.

 

제임스 지의 설명은 다음과 같다.

"물론 지금까지 눈에 보이지 않는 암흑물질의 존재가 다른 은하단에서 추측된 적은 있습니다만,  은하단을 구성하고 있는 뜨거운 가스와 은하들로부터 

 분리되어 이처럼 대규모로 관측되기는 처음입니다.

 은하나 뜨거운 가스들의 흔적으로만 유추할 수 있는 다른 암흑 물질과 달리 암흑물질 자체의 구조를 관측함으로써, 

 이들이 어떻게 일반 물질과는 달리 행동하는지를 연구할 수 있습니다."

 

이 암흑물질을 분석하는 동안, 연구팀은 이 신비한 물질로부터, 마치 물에 돌이 떨어졌을 때 발생하는 것과 같은 파동을 발견하였다.

 

제임스 지의 설명은 다음과 같다.

"제가 맨 처음 이 고리를 봤을 때 , 그 모습이 너무 인공적으로 보여서 데이터 압축 과정에 손상이 발생한 것일 거라고 생각했습니다. 
 저 스스로도 이러한 결과를 믿을 수 없었는데, 문제는 내가 이 고리 모양을 없애려 하면 할수록 그 모습이 더더욱 선명하게 나타났다는데 있었습니다. 

 결국 이 고리의 존재를 인정하는데 일년이 넘는 시간이 걸렸습니다.

 지금까지 많은 은하단들을 봐왔습니다만, 이런 모습은 처음이었어요."

 

왜 이 고리가 은하단 내에 존재하는지, 그리고 어떻게 생성이 되었는지에 대한 의문에 대해,

제임스 지는 이전의 연구를 통하여 10억~20억년 전, 하나의 은하단이 다른 은하단과 충돌하면서 발생한 것이라는 의견을 냈다.

그의 논문은 은하단 삼차원구조에 대한 분광광측을 기반으로 한 연구로서, 해당 연구는 2002년 독일 본 대학 아겔린더 천문학 연구소의 올리베르 초스키(Oliver Czoske)에 의해 발표된 바 있다. 

해당 연구에서 올리베르는 은하단을 두 개의 서로 다른 부분으로 분류하여 옛날 서로 다른 은하단 간의 충돌이 있었음을 밝혀주었다.

이러한 충돌은 운좋게도 지구에서 바라보는 시선 방향으로 발행하였기 때문에 천문학자들은 이 충돌을 위에서 바라보는 듯한 시각에서 바라볼 수 있었다.

이러한 각도 덕분에  이 암흑물질의 구조가 고리 모양으로 보이는 것이다.

 

 

연구진들에 의하여 계산된 두 은하단의 충돌 시뮬레이션은, 두 은하단의 충돌이 발생했을 때 암흑물질이 각 은하단의 충돌부 중심으로 쏟아져 들어갔다가 다시 튀어나왔음을 보여준다.

이 암흑물질이 바깥방향으로 튀어나왔을 때, 충돌 은하단의 중력으로 마치 고속도로의 차량 연쇄충돌처럼, 그 반발 속도가 연쇄적으로 줄어들었다.

이 현상에 대해 연구팀의 팀원인 존스 홉킨스 대학 홀랜드 포드(Holland Ford)는 다음과 같이 말하고 있다.
"이 충돌에 대한 연구로 우리는 암흑물질이 중력에 어떻게 반응하는지 알아보고 있습니다. 

 우리가 연구실에서는 수행할 수 없는 실험을 자연히 대신해 주고 있는 것이죠. 

 그리고 이것은 우리의 이론상의 모델이 맞다는 점을 시사하고 있습니다."

암흑물질은 우주물질의 대부분을 구성하고 있다.

별이나 행성을 만드는 일반적인 물질은 우주 구성물질의 단지 몇 퍼센트만을 차지할 뿐이다.

 

암흑물질은 그 자체가 빛을 내거나, 빛을 반사하지 않기 때문에, 연구 자체가 쉬운 일이 아니다.

천문학자들도 오직 중력의 영향을 통해 암흑물질을 감지할 수 있을 뿐이다.

 

천문학자들은 아주 멀리 떨어진 은하로부터 출발한 희미한 빛이, 앞에 위치한 은하단의 암흑물질의 중력에 의해 어떻게 굴절이 되며, 

어떻게 아치 형태로 번져 나가고, 또한 어떻게 선형 모양으로 나타나는지를 연구하고 있다.

 

이러한 빛의 굴절에 대한 패턴 분석을 통해 천문학자들은 은하단의 질량을 추정하는 한편 은하단에 암흑물질이 어떻게 분포하게 되는지를 추적할 수 있는 것이다.

 

제임스 지의 설명은 다음과 같다.
"두 은하단 간의 충돌은 암흑물질의 파장을 만들어 내고, 뒷편의 은하에 분명한 흔적을 남기게 됩니다.

 냇물의 표면에 파동이 나타날 때 그 파동 아래 바닥에 보이는 조약돌과 같은 현상이 나타나는 것이죠.

 아시다시피 파동이 지나갈 때 조약돌의 모양은 다르게 나타납니다. 마찬가지로 고리 뒤쪽에 위치한 은하들은 고리의 영향으로 나타나는 간섭 현상으로 인해

 변화된 모양을 나타내는 겁니다."

 

제임스 지와 그의 동료들은 지상의 망원경으로는 관측할 수 없는 은하단의 뒷편에 위치한, 아주 멀리 떨어진, 희미하고, 굴절되어 나타나는 은하들을 허블 ACS(Advanced Camera for Surveys)망원경을 통해 관측했다.

 

볼티모어 우주망원경과학연구소(the Space Telescope Science Institute)의 리처드 화이트는 허블에 의해 제공된 정교한 이미지와 고해상도의 은하이미지에서만 이러한 측정이 가능하다고 말했다.

 

총알 은하단(Bullet Cluster)에 대한 허블망원경과 찬드라 X-Ray 천문관측소의 이전 연구는 두 은하단 간의 유사한 충돌을 측면 모양으로 보여주고 있다.

이 충돌에서, 암흑물질은 뜨거운 은하단 가스로부터 뽑아지고 있었는데 여전히 은하단 내 은하들에 분포에 따라 존재하고 있었다.

Cl 0024+17은 두 은하단 간의 뜨거운 가스들의 분포와는 다른 암흑물질의 분포를 처음으로 보여준 은하단이다.

이 연구팀의 보고서는 6월 1일  Astrophysical Journal에 발표되었다.

 

 

 

허블 우주 망원경의 이 이미지는 은하단 Cl 0024+17의 암흑물질로 이루어진 '고리'를 보여준다.

고리모양의 구조는, 명확한 파란색 지도로, 은하단의 암흑물질 분포모양을 보여주고 있다. 

이 지도는 은하단에 대한 허블이미지를 포개놓은 것이다.

이 고리는, 우주 곳곳에 널리 퍼져 있는 미지의 물질인 암흑물질의 존재에 대한 강력한 증거들 중 하나이다.

허블 관측으로 얻은 이 지도는  중력 렌즈라 불리는 착시 현상의 일환으로  Cl 0024+17 은하단의 중력이 어떻게 훨씬 멀리 존재하는 은하들로부터 발생한 빛을 굴절시키는지 보여준다.

비록 천문학자들은 이 암흑물질을 직접 볼 수는 없지만, 뒷면에 있는 은하들의 굴절 모양의 패턴 분석을 통해 그 존재를 추측할 수 있다.

 

이러한 패턴 분석은 또한 암흑물질이 은하단에 어떻게 분포하는지도 알려준다.

천문학자들은 암흑물질 고리가 두 개의 거대한 은하단의 충돌로 인해 발생한 것이라는 모델을 제안하고 있다.

암흑물질은 우주를 구성하는 물질의 대부분을 차지하고 있고, 또한 우주의 기본 구성 물질로 추측되고 있다.

이 이미지는 ACS(the Advanced Camera for Surveys)에 의해 2004년 11월 촬영되었다.

 

 

Cl 0024+17 로 등재된, 수없이 많은 은하를 담고 있는 은하단을 통해, 천문학자들은 우주 공간의 암흑물질 분포를 탐사할 수 있다.

사진의 중앙 부근에 나타나고 있는 파란색 선모양들은 은하단의 일부가 아닌, 아주 멀리 위치한 은하로부터 발생한 빛이 번지면서 나타나고 있는 빛들이다. 

이러한 현상은 중력 렌즈 효과라고 불리우는 일종의 착시 현상인데, Cl 0024+17의 강력한 중력의 영향으로 멀리 위치한 은하들로부터 출발한 빛이 굴절되고 확대되어 나타나는 현상인 것이다.

 

암흑물질은 그 자체가 빛을 내지도 않고 일체의 빛을 반사하지도 않기 때문에 눈에 보이지 않는다.

그래서 천문학자들은 오직 중력이 빛에 미치는 영향을 관측함으로서 암흑물질을 탐지할 수 있다.

중력 렌즈에 의해 만들어진 왜곡된 빛을 그려냄으로써, 천문학자들은 은하단에 암흑물질이 어떻게 분포하는가를 추적할 수 있다.

이러한 작업을 진행하는 중에 천문학자들은 은하단의 중앙 부근에서 암흑 물질 고리를 발견하였다.

이 고리의 발견은 암흑물질의 존재에 대한 강력한 증거이다.

 

이 이미지는 2004년 11월 ACS에 의해 촬영되었다.

 

 

 

허블망원경으로 촬영된 이 이미지는 조각실자리(Sculptor) 방향으로  5억 광년 떨어진 수레바퀴 은하(Cartwheel Galaxy)를 촬영한 원색 이미지로
두개의 은하들의 충돌을 위에서 내려보는 듯한 보기 드문 광경을 보여주고 있다. 
허블의 이 이미지는 어떻게 초거대 질량의 별들이 거대한 가스 구름 조각들에서 탄생할 수 있는지를 연구할 수 있는, 새로운 세부적 분석 틀을 제공해 주었다.

 

고리를 닮은 충돌 흔적은 작은 침입은하-아마 고리의 오른쪽의 두 천체들 중 하나와 유사했을 것이다.-의 직접적 결과로서 주 은하의 핵을 관통하고 있다.

 

바위가 호수에 던져진것처럼, 이 충돌은 에너지의 파동을 우주로 보내고 있고, 가스와 먼지들을 전면으로 파헤치고 있다.

확장은 시간당 20만 마일의 속도로로 퍼지고 있으며, 이 우주의 쓰나미는 새로운 별들을 만들어 내고 있다.

 

허블은 밝고 푸른 점들이 새로 탄생한 별들의 거대한 무리(성단)이고 거대한 고리모양과 거품들이 초신성 폭발에 의해 우주공간으로 밀려져 나가는 가스와 먼지들에 의해 발생한 것으로 분석하였다.

충돌 전의 수레바퀴 은하는 원래는 우리 은하처럼 평범한 나선형 은하였을 것으로 추측되는데, 중앙 핵부근의 황소 눈모양의 고리 구조로부터 뻗어나온 희미한 팔들의 모양을 통해 나선 모양이 재형성되고 있다는 사실을 알 수 있다. 

이 고리는 최소한 수십억개의 새로운 별들을 포함하고 있는데 매우 짧은 시간에 수없이 많은 별들이 만들어진 아주 드문 경우이며, 그 크기도 매우 커서(지름이 150만 광년에 달한다.) 우리 은하가 그 안에 딱 맞게 들어갈 수 있을 정도이다.

 

 

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* '허블사이트'의 게시물들은  허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.