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110억 년 전의 우주에 근방 최대급 은하단의 조상 확인

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-04-23
  • 조회수 : 1783
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국립 천문대 및 종합연구대학원대학을 중심으로 한 연구팀은 약 110억 년 전의 우주에서 발견된 2개의 원시 은하단(PKS 1138-262 (그림 1) 및 USS 1558-003)을 스바루 망원경을 이용하여 자세히 관측했다. 그 결과, 이러한 원시 은하단이 「머리털 자리 은하단」같은 근방 최대급 은하단의 조상에 해당하는 매우 큰 질량과 구조를 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 이러한 원시 은하단에 가스의 중원소량 함유율로부터 고밀도 환경 특유의 은하 형성 과정에 대한 새로운 시각을 얻을 수 있었다.

연구팀은 지금까지 스바루 망원경에 탑재된 다중 천체 근적외선 카메라와 분광기 MOIRCS 및 특별 주문의 협 대역 필터에 의한 Hα 방사 은하의 카메라 관측에 따라서 이러한 원시 은하단이 집단화 도상에 있는 복잡한 은하 분포를 하고 있는 것이나, 은하가 심한 별 형성 활동 상태에 있는지 등을 특정하고 있었다. 그러나 각각의 은하단의 자세한 성격의 해명에는 더욱 더 관측이 필요했다. 

그래서 이번에 연구팀은 MOIRCS를 이용하여 별 형성 은하의 근적외선 분광 관측을 수행하여 은하단 내부의 속도 구조와 개별 은하의 물리적 상태를 조사했다. 관찰의 결과, 이 두개의 원시 은하단이 태양 질량의 약 10의 14승 배의 질량을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 이 정도의 질량을 가진 원시 은하단은 근방 우주에 「머리털 자리 은하단」과 같은 최대급 은하단의 직접적인 조상에 해당하는 것이 우주의 구조 형성 이론과의 비교로부터 추정된다.

한편, 이 두 개의 원시 은하단은 은하가 밀집한 은하단이라는 특수한 환경 속에서 개별 은하가 어떻게 주변 환경의 영향을 받아 형성된 것인지를 조사하기 위한 이상적인 연구 대상이기도 하다. 그래서 연구팀은 또한 분광 관측에 의해 얻어진 복수의 스펙트럼 방사 정보에서 은하 가스에 포함된 중원소의 비율을 조사했다. 그 결과, 같은 질량의 은하도 은하가 밀집한 원시 은하단에 속하는 것은 같은 시대의 은하가 띄엄띄엄 존재하는 영역(필드 환경)에 있는 것과 비교하여 가스의 중원소량 함유율이 높은 것을 알 수 있었다.

중원소는 은하 속의 별 내부에서 만들어진, 별의 진화 최종단계의 별 바람이나 초신성 폭발에 따라 주변의 가스에 방출된다. 따라서 가스의 중원소량의 비율이 다르다는 것은 은하 내에서 별 형성 활동 이력과 은하 외부의 가스 유출입의 과정이 다르다는 것을 의미한다. 연구팀은 특히, 은하의 가스의 출입에 대한 환경 효과라는 새로운 시점에 주목하고 있다. 이번에 관측한 두 개의 은하단이 있는 110억 년 전의 우주는 별 형성 활동이 가장 번성했던 시대인 것으로 알려져 있다. 마찬가지로 은하의 가스 유출입률도 현재와 비교해 약 100배나 높았다는 것을 시사되고 있으며, 이 가스의 출입은 은하의 형성을 담당하는 최대의 물리 과정 중 하나이다. 이 과정에 은하 주변 환경이 큰 영향을 미치고 있다고 생각할 수 있다.

은하단은 암흑 물질의 거대한 덩어리로 은하와 고온의 이온화 가스가 중력으로 속박되고 있는 우주 최대의 천체이다. 그런 특수 고밀도 환경 속에서 개별 은하는 초속 500킬로미터 이상의 속도로 날아다니고 있다. 붐비는 안을 고속으로 움직이는 이 은하는 은하단 가스로부터 받는 강한 역풍(압력)과 다른 은하와의 접촉 시에 강한 기조력에 의해 은하의 바깥에 있는 비교적 중원소의 적은 가스가 선택적으로 박탈해 버리는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 더 안쪽에 있는 농도가 높은 가스를 중심으로 화학 진화가 진행되기 때문에 결과적으로 가스의 총량에 대한 중원소 함유율이 높아질 것으로 생각된다. 또한 중원소에 오염된 은하 내부의 가스는 은하 내에서 차례차례로 일어나는 초신성 폭발 등에 의해 일어나는 은하 바람을 타고 은하 외부로 일부 배출되지만, 은하단 환경에서는 은하 주위를 채우고 있는 은하단 가스의 압력이 은하 바람을 차단해 버린다.

이 경우에도 은하 속에 중원소가 많이 축적되어 버리기 때문에 이번의 결과를 설명할 수 있다. 또한 설명은 생략하지만, 은하 외부의 가스 유입에 대해서도 당연히 은하 주변의 환경이 큰 영향을 미칠 것이다. 은하가 가장 활발하게 태어났던 먼 옛날에 보이는 이러한 현상은 현재의 우주에서 은하의 성질이 강한 환경 의존성을 만들어 낸 최초의 원인이라고 생각된다.

「이후로는 개별 은하 내부의 상세한 분석에 따라 원시 은하단의 특수한 환경에 노출된 특유의 은하 형성과 성장 과정을 보다 명확하게 하고 싶다」고 논문의 주 저자 인 嶋川里澄씨 (국립 천문대 / 종합연구대학원대학)는 말한다. 이 연구 성과는 2014년 6월 11일 및 2015년 3월 21일에 발행된 영국 왕립 천문 학회지 「MNRAS」에 게재되었다.


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