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천문우주과학소식

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알마 망원경이 초기 은하에 떠도는 최초의 `탄소 연기` 발견

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-07-09
  • 조회수 : 1719
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연구자는 은하 내부의 운동이나 화학적 성질을 알기 위해, 별들 사이에 흩뿌려지고 있는 물질을 연구하고 있다. 그러나 우주 탄생에서 얼마 되지 않은 초기의 우주에서 탄소가 발하는 전파의 흔적을 찾으려고 하는 시도는, 현재까지 잘되어 가고 있지 않다. 이 광대한 우주 공간을 초월하여 충분한 양의 별 재료를 관측하려면, 더 수십억 년 앞의 천체이지 않으면 불가능한 것이라고 보여지고 있었다.

그러나 알마 망원경에 의한 새로운 관측에 의해, 빅뱅에서 10억 년 정도 밖에 지나지 않은 무렵의 「보통의」 은하 중에 떠도는 탄소 원자의 희미한 흔적이, 아주 간단하게 잡혔다. 이것은 상당히 초기 우주에서는 보통의 은하조차도 이미 탄소로 채워진 것을 시사하고 있다. 한편으로 그것은 수십억 년 후의 은하만큼 화학적으로 진화하지 않았다. 이후 시대의 은하 내에서는 이온화(전리)된 탄소의 대부분은 먼지의 표면에 집적하여 일산화탄소와 같은 간단한 분자를 만들고 있다.

"빅뱅 시절의 원시적인 가스에서 도대체 어떻게 해서, 현재 우주의 도처에서 볼 수 있는 무거운 원자와 복잡한 분자가 된 것인가? 우리는 그것을 알고 싶은 것"이라고 과학지 「네이처」게재 논문의 필두 필자로 캘리포니아 공과 대학 (미국 파사 데나)의 천문학자인 피터 카팟쿠 씨는 말한다. "알마 망원경 완성 전에는 너무 젊고, 너무 먼 은하를 직접 관측하는 방법은 없었다. 왜냐하면, 탄소에서의 전파 방사는 너무 약해 잡혀지지 않았기 때문"이라고 카팟쿠씨는 덧붙였다.

알마 망원경은 그 탁월한 감도에 의해, 이온화(전리)된 탄소가 발하는 희미한 밀리미터 파의 「빛」을 잡았다. 그것은 9개의 아주 먼, 우주가 지금의 연령의 단지 7%였던 때의, 매우 젊은 은하에서 온 것이다. 탄소 등의 원자는 밝고 무거운 별에서의 강력한 자외선 방사에 의해 이온화(전리)한다.

최초의 은하가 태어났을 때는, 곧잘 「우주의 새벽」이라고 비유된다. 그 무렵, 별들 사이의 대부분은 빅뱅에 의해 태어난 수소와 헬륨으로 가득 차 있었다. 무거운 별이 초신성 폭발에 의해 그 짧고도 빛나는 일생을 끝낼 때, 다음의 시대가 시작한다. 별의 중심에서 만들어진 탄소, 실리콘, 산소로 된 무거운 물질을 성간 공간에 흩뿌리는 것이다.

"이온화(전리)된 탄소의 특정 스펙트럼은, 은하 중에서 수소와 헬륨보다도 무거운 물질이 어떻게 해서 증가해 왔는지를 연구하는데, 강력한 도구가 될지도 모른다고 오랫동안 생각되어 왔었다. 그것은 또한, 초기 은하에 있어서의 가스의 운동을 조사하는 유일한 방법"이라고 공저자인 미국 국립 전파 천문대 (뉴 멕시코주·소코로)의 크리스 칼로리 씨는 말한다. "이 논문은, 이 방법이 확실히 사용할 수 있는 것을 분명히 증명하고 있으며, 이러한 연구에 있어서의 훌륭한 미래를 보여주고 있다"고 칼로리씨는 덧붙였다.

탄소는 다른 물질과 결합하기 쉽고, 간단한 것부터 복잡한 것까지 다양한 분자를 형성한다. 따라서 탄소는 이온화(전리)된 붕괴의 상태로 장시간 존재하는 것은 있을 수 없다. 따라서 성간 공간의 다른 무거운 원소에 비해, 훨씬 소량으로 밖에 찾을 수 없다.

이것은 이온화(전리)된 탄소가 아직 진화하지 않은 비교적 젊은 은하의 뛰어난 눈에 띄는 것을 보여준다. "이 바뀐 상태의 탄소가 있다는 것은, 거기에 다른 무거운 원소가 조금 밖에 존재하지 않는다는 것을 보여 준다"고 카팟쿠 씨는 말한다. "이번에 관측된 은하와 그 20 억년 후의 은하의 특징은 매우 대조적이다. 단 20 억년 은하는 무거운 원소의 먼지로 가득해, 이온화(전리)된 탄소는 계속 줄어들고 있었던 것"이라고 카팟쿠씨는 설명했다.

연구자는 또한, 같은 관측 데이터를 속도계처럼 사용하여, 은하 중을 가장 빠른 초속 380km의 속도로 이동하고 있는 가스를 발견했다. "이렇게 먼 은하에서의 가스의 속도를 측정하는 것은 이전에는 불가능했었다. 최초의 은하가 어떻게 모여 진화했는지, 이번의 관측은 그것을 이해하기 위한 새로운 문을 연 것"이라고 카팟쿠 씨는 말한다.

알마 망원경으로 관측한 가스의 속도는, 수십억 년 후의 별을 만들어내고 있는 보통의 은하에 있어서의 가스의 속도와 비슷하여, 현재 가까운 우주에서도 잘 볼 수 있다. 알마의 데이터는 또한, 이러한 먼 은하가 각각 태양의 100 억에서 1000 억 배의 질량을 가지는 것을 밝혀내었다. 그것은 우리가 살고 있는 은하수의 질량에 필적한다.

초기 우주에 많이 있는 은하는 온화하고, 이후 시대의 것보다 질량이 작은 것으로 생각되어 왔기 때문에, 이 결과는 연구자를 놀라게 했다.알마 망원경의 데이터는 초기 우주가 우리들이 현재 생각하는 보통 크기의 은하를 낳을 것을 분명하게 했다. 그 반면에, 이온화(전리) 탄소가 풍부하게 있어 먼지가 눈에 띄게 적은 것은 그들이 진화의 과정에 있어서의 매우 미숙한 단계에 있는 것을 보여준다.

이 연구 중에서, 연구자는 약 130억 광년 저편의 전형적인 별 형성 은하를 9개 선택했다. 그 은하는 우주 진화 서베이 「COSMOS (코스모스)」에서 선정되어, 하와이에 있는 켁 Ⅱ 망원경의 분광기 DEIMOS (다이모스)에 의해 그 거리가 측정되었다.

알마 망원경은 칠레, 아타카마 사막에 있는, 우주의 원자와 분자에서 방출되는 파장 수 밀리미터의 희미한 전파를 잡을 수 있다. 과거의 상당히 먼 은하에 대한 연구는, 이번에 관측된 이온화(전리)탄소로부터의 전파는 검출되지 않았다. 그 이유는, 관측 대상이 충돌을 하고 있는 「보통은 아닌」 은하이며, 이온화(전리)된 탄소에서 희미한 신호가 가려져 있었을지도 모르기 때문이다. 이번의 성과는, 알마 망원경의 일부 안테나를 사용하여, 각각의 대상에 대해 약 20분 미만의 관측에서 얻었다. 알마의 모든 안테나를 사용하는 향후의 관측에서는 은하의 형성과 그 화학적인 조성에 대한 더 분명하게 그린 모습을 보여줄 수 있을 것이다.


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