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천문우주과학소식

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스바루 망원경 Hyper Suprime-Cam이 그려 낸 최초의 암흑 물질지도

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-07-09
  • 조회수 : 2392
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국립 천문대, 도쿄대 등의 연구자들로 구성된 연구팀은 스바루 망원경에 새롭게 탑재된 초광 시야 주 초점 카메라 Hyper Suprime-Cam (하이퍼 슈프림 캠, HSC)을 이용하여, 「암흑 물질」 분포의 광역 탐사를 진행하고 있다. 이번 연구팀은, HSC에서의 관측 초기에 취득된 데이터를 이용한 분석에서, 2.3 평방도에 걸쳐 하늘 영역에 있어서의 암흑 물질의 분포를 밝히고, 은하단 규모의 암흑 물질의 집중이 하늘 영역에 9개 존재하는 것을 밝혀냈다.

흑 물질 분포의 광역 탐사는, 우주 팽창을 지배하는 「암흑 에너지」의 강도와 성질을 조사하는데 열쇠가 된다. 이번의 초기 성과에 의해, 암흑 에너지의 비밀에 다가가기 위해서 필요한 관측 장비와 분석 방법이 확립한 것으로 나타났다. 연구팀은 최종적으로 관측 하늘 영역을 1000평방도 이상으로 넓혀, 암흑 물질의 분포와 그 시간 변화에서 우주 팽창의 역사를 정밀하게 계측한다고 하는 과제에 몰두하고 있다.

1929년에 에드윈 허블이 우주 팽창을 발견한 이후, 우주 팽창 속도는 점차 감속할 것이라고 생각되고 있었기 때문이다. 우주에 존재하는 천체끼리 인력이 작용하여 팽창의 효과가 약해진다고 생각하고 있었기 때문이다. 그런데 1990년대 후반, 현재의 우주 팽창이 사실은 가속하고 있다는 것이 먼 초신성 관측에서 밝혀져 왔다. 가속을 실현하려면, 척력(서로를 멀리 하려는 힘)을 가지는 것 같은 「암흑 에너지 (암흑 에너지)」가 존재하거나, 중력 법칙을 변경하거나 하지 않으면 안 된다. 어쨌든, 기존의 물리 이론의 틀로는 설명할 수 없는 대발견이다 (주 1).

우주 팽창 가속의 수수께끼를 해명하기 위해서는, 우주 팽창과 천체 형성의 진행도 사이에 있는 관계에 주목하는 것이 유용하다. 예를 들어 우주 팽창이 빠르면, 물질이 모이는 시간이 없어서 천체의 형성은 늦어지고, 반대로 우주 팽창이 늦으면 천체 형성은 빠를 것이다. 즉, 천체 형성의 진행도 맞춤을 우주 팽창의 역사에 고쳐 만들 수 있는 것이다. 그러나 우주에서 천체의 대부분이 빛을 발하지 않는 「다크 매터 (암흑 물질)」로 구성되어 있기 때문에, 기존의 관측 방법으로는 전모를 파악할 수 없다는 어려움이 있었다.

그 어려움을 극복하는 유망한 방법의 하나는 「중력 렌즈 효과」를 이용한 관측이다 (주 2). 암흑 물질의 집합이 있으면, 그보다 더 멀리 있는 은하의 상은 중력 렌즈 효과로 변형한다. 반대로 이 변형량을 조사하는 것으로, 암흑 물질의 분포를 조사할 수 있는 것이다. 넓은 하늘 영역에서 다수의 은하를 관측하고, 상의 왜곡에서 앞에 있는 천체의 형성의 진행도를 조사함으로써 우주 팽창사에 다가가고, 그리고 최종적으로는 암흑 에너지의 강도, 그리고 어떻게 시간 변화하는지 등의 성질을 추정하는 것이다.

이를 위해서는, 수십억 광년보다 먼 곳의 어두운 은하를 1000평방도 이상의 넓은 하늘 영역에 걸쳐 수색하고, 그 형상을 정밀하게 계측할 필요가 있다. 스바루 망원경에서는 주 초점 카메라 (Suprime-Cam)가 광 시야 카메라로서 활약해 왔었지만, 그것을 가지고 해도 이 정도의 광역 관측은 현실적이지 않았다. "그래서 높은 결상 성능은 유지한 채로 시야를 7배 이상으로 넓히는 Hyper Suprime-Cam (HSC)을 10 년에 걸쳐 새롭게 개발했다"고 HSC 개발 책임자 宮崎聡씨 (국립 천문대 첨단 기술 센터)는 말한다.

HSC는 2012년 스바루 망원경에 새롭게 탑재된, 성능 시험 관측을 거쳐 2014년 3월부터 공동 이용 관측을 시작한다 (그림 2). 또한 5년간 300밤을 투숙하는 거대한 「전략 프레임 프로그램」도 시작되고 있다. 총 8억 7000만 화소를 가진 HSC는 보름달 9개분 넓이의 하늘 영역을 한 번에 촬영할 수 있는 세계 최고 성능의 초 광시야 카메라이지만, 시야 전체에 걸쳐 대체로 0.5초각 (7000분의 1 각도) 정도의 공간 분해능을 달성하고 있는 것, 그리고 얻을 수 있는 별 모습의 왜곡도 매우 작은 것이 성능 시험 관측 데이터에서 확인되고 있다.

이번 국립 천문대, 도쿄대학 등의 연구자들로 구성된 연구팀은 HSC의 성능 시험 관측에서 취득된 2.3평방도의 데이터를 이용하여, 중력 렌즈 해석을 실시했다. 불과 2시간 노출 시간에도 불구하고, 이미지에는 무수한 은하가 그려내졌다. 연구팀은 이러한 미광 은하의 모양을 정밀하게 측정하고, 암흑 물질의 분포를 조사했다. 그 결과, 은하단 규모의 암흑 물질의 「덩어리」가 9개, 이 관측 영역에서 발견되었다. 또 다른 망원경에서 얻어진 다 파장 이미지에서, HSC에서 특정된 「덩어리」에 대응하는 은하단도 발견했다. 즉, HSC의 관측 데이터에 의한 중력 렌즈 해석과 결과로서 얻을 수 있는 「암흑 물질지도」의 신뢰성이 확인된 것이다.

또한, 이번의 중력 렌즈 해석에서 검출된 은하단의 수가 우주 모델의 예측보다 훨씬 많은 것도 알았다 (그림 3). 관측 하늘 영역이 우연히 암흑 물질이 밀집한 장소였는지, 혹은 과거에 있어서의 암흑 에너지가 기대되고 있었을 정도 존재하지 않고, 완만한 우주 팽창 속에서 천체 형성이 빠르게 진행한 결과인지는, 현 시점에서는 확실하지 않지만, 더 자세히 알아보기 위해서 더 넓은 하늘 영역에서의 관측 결과가 기대되고 있다.

중력 렌즈 해석에서 암흑 물질 분포도를 만들고, 은하단 규모의 천체를 특정하는 방법은 천체의 질량 그 자체를 의지해서 천체 수색을 하는 것에 해당한다. 따라서 얻을 수 있는 천체 질량의 정도가 높다고 (주 3) 하는 이점이 있다. 이렇게 얻어진 암흑 물질의 「질량지도」는 이것은 우주 팽창사를 정밀하게 계측하는 문제에 몰두하는데 있어서 결정적으로 중요한 것이다.

연구팀을 이끄는 宮崎씨는 "이번의 초기 성과에 의해, 암흑 에너지의 비밀에 다가가는데 필요한 관측 장치 HSC와 분석 방법이 확립된 것으로 나타났다. 최종적으로 관측 하늘 영역을 1000평방도 이상으로 넓혀, 암흑 물질의 분포와 그 시간 변화에서 우주 팽창의 역사를 정밀하게 계측한다고 하는 과제에 몰두한다"고 열의를 말하고 있다.

이 연구 성과는 HSC에 의한 최초의 과학적 성과로, 미국 천문 학회의 천체 물리학 전문지 「아스트로 피지컬 저널」2015년 7월 1일 호에 게재가 정해져 있다 (Miyazaki et al. 2015, ApJ 807 22 "Properties of Weak Lensing Clusters Detected on Hyper Suprime-Cam 2.3 Square Degree Field"). 논문의 양식지는 여기에서 구할 수 있다. 또한 본 연구는, 과학 연구비 보조금 (18072003 및 26800093), 세계 최고 수준의 국제 연구 거점 형성 촉진 프로그램의 지원을 받고 있다.


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