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천문우주과학소식

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우주 확대경을 통해 허블이 발견한 극도로 먼 은하

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2014-10-24
  • 조회수 : 2613
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거대한 우주 확대경을 통해 관찰한 나사(NASA)의 허블 우주망원경(Hubble Space Telescope)이 매우 작고 희미한 은하를 발견했다. 이 은하는 이제껏 관찰된 가장 먼 은하들 중 하나이다. 이 작은 대상은 130억 광년 이상 떨어져 있는 것으로 추정된다. 이 은하는 우주가 형성되던 매우 초기 시절을 다시 보여주고 있으며 이것은 단지 빙산의 일각일지도 모른다. “이 은하는 우주의 시작인 빅뱅 이후 약 5억년 정도에 존재했던 대단히 작고 희미한 물체들로 이루어진 수많은 근원적인 집단으로 추정된다. 이번 발견은 이 은하만큼 희미한 은하들이 존재한다는 것을 우리에게 말하고 있으며, 우리는 이 은하들과 더 희미한 대상들을 계속 관찰해야 한다. 그래야 우리가 시간에 따라 은하와 우주가 어떻게 진화했는지를 이해할 수 있다”고 이번 연구를 주도한 칼텍(California Institute of Technology)의 아디 지트린(Adi Zitrin)은 말했다.

이 은하는 ‘프론티어 필즈(Frontier Fields)’ 프로그램에 의해 검출되었다. 3년 동안 수행되는 이 프로그램은 허블과 나사의 다른 망원경들인 스피처 우주망원경(Spitzer Space Telescope)과 찬드라 X-선 관측위성(Chandra X-ray Observatory)을 함께 사용하여 거대한 은하단을 연구함으로써 초기 우주를 조사하는 야심 찬 프로그램이다. 이러한 은하단들은 너무나 거대해서 통과하는 빛이 중력에 의해 휘어지고, 확대되고 밝아지며, 중력렌즈 효과라는 현상으로 배경에 있는 물체를 왜곡시킨다. 천문학자들은 이 강력한 렌즈를 이용하여 다른 방법으로는 너무 희미해서 볼 수 없는 흐릿한 먼 구조들을 많이 발견할 수 있다.

이번 발견은 판도라 은하단(Pandora’s Cluster)이라는 별칭을 갖고 있는 거대한 은하단인 아벨 2744(Abell 2744)의 중력렌즈 효과를 이용하여 이루어졌다. 아벨 2744는 동일한 희미한 은하의 확대영상 3개를 만든다. 각각의 확대 영상들은 은하단의 줌 기능을 이용하지 않을 때보다 은하를 10배 더 크고 밝게 보이도록 만든다. 이 은하의 폭은 우리 은하수 은하보다 500배 더 작은 850광년으로 측정되었고, 겨우 태양 4천만 개의 질량을 가진 것으로 추정된다. 비교하자면, 은하수는 태양 수천억 개의 별 질량을 갖고 있다. 그리고 이 은하는 3년마다 약 1개의 별을 형성하지만, 우리 은하수는 대략 1년에 1개씩의 별을 형성한다. 하지만, 그 작은 크기와 질량을 고려하면, 이 작은 은하는 실제로는 빠르게 진화하고 있고 효과적으로 별들을 형성하고 있다고 지트린은 말했다. 이 은하와 같은 은하들은 아마도 별을 형성하여 빛을 내기 시작했지만 아직 구조가 정해지지 않은 작은 물질 덩어리일 것이라고 이 천문학자들은 생각한다. 어쩌면 단지 중력렌즈 효과로 인해 확대된 하나의 밝은 덩어리를 허블이 검출하고 있는 것일 수도 있다. 이것은 이 대상이 그 시기의 전형적인 은하들보다 왜 작은지를 설명한다.

지트린 연구팀은 허블의 광시야카메라3(Wide Field Camera 3)과 고성능관측카메라(Advanced Camera for Surveys)에 찍힌 은하단의 근적외선과 가시광선 사진들을 이용하여 중력에 의해 강화된 이 은하의 영상들을 검출했다. 그러나 그들은 그 은하가 지구로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 측정해야 했다. 대개 천문학자들은 우주가 천천히 팽창함에 따라 물체의 빛이 얼마나 멀리 퍼졌는지를 토대로 그 물체의 거리를 측정할 수 있다. 천문학자들은 물체의 빛 특성을 묘사하는 분광법을 통해 이 효과를 정밀하게 측정할 수 있다. 그러나 중력렌즈로 관찰되는 이 초기 시기의 은하와 다른 물체들은 분광법을 이용하기에는 너무 멀고 너무 희미하다. 그래서 천문학자들은 물체의 색을 이용하여 거리를 추정한다. 우주의 팽창에 의해 물체의 색이 예측할 수 있는 방식으로 붉어지기 때문에, 과학자들은 그것을 측정할 수 있는 것이다.

지트린 연구팀은 색 분석 기술을 적용하고 중력렌즈에 의해 생성된 다수의 영상들을 이용함으로써 자신들이 추정한 거리를 독립적으로 확인했다. 이들은 허블의 사진에 나타난 은하의 확대영상 3개 사이의 각도간격을 측정했다. 렌즈효과로 인한 각도간격이 크면 클수록, 그 물체는 지구로부터 더 멀리 있다. 이 개념을 시험하기 위해서, 연구진은 이 확대영상 3개를 판도라 은하단을 찍은 허블 영상에서 포착된 더 가까운 곳에 있는 여러 다른 강화영상 배경 물체들의 위치와 비교했다. 가까운 은하들일수록 확대영상들 사이의 각도간격은 더 작았다. “배경 은하 영상 3개 사이의 각도간격이 크다면, 그 물체는 매우 멀리 있는 것이 틀림없다는 것을 이 측정결과는 암시한다. 이것은 또한 우리가 색 분석 기술을 토대로 계산한 거리 추정치와도 일치한다. 그래서 이 물체가 적색이동10의 먼 거리에 있다는 것을 우리는 95퍼센트로 확신한다. 적색이동은 빅뱅 이후 우주팽창의 척도이다. 근처에 있는 물체가 심하게 붉어져서 훨씬 더 멀리 있는 물체처럼 가장하는 것일지도 모른다는 의구심을 중력렌즈효과가 해소한다”고 지트린은 말했다.

이러한 초기 은하들이 빅뱅 직후에 냉각된 수소를 데우기에 충분한 복사선을 제공할 수 있었는지에 대해서 천문학자들은 오랫동안 논쟁해왔다. 재이온화(reionization)라는 이 과정은 우주가 탄생한 뒤 2억 ~ 10억 년 전에 발생한 것으로 생각되고 있다. 재이온화로 인해 우주는 빛에 투명해졌고, 그 결과 천문학자들은 차가운 수소 ‘안개’를 조사하지 않고도 과거를 볼 수 있다. 이번 연구결과는 ‘Astrophysical Journal Letters’ 9월 온라인 판에 발표되었다.


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