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천문우주과학소식

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알마망원경이 밝힌 먼 은하의 활발한 별 형성

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-11-04
  • 조회수 : 2360
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개요
도쿄대학 국제 고등 연구소 카브리 수학물리 제휴 우주 연구기구 (Kavli IPMU)의 John D. Silverman (존 실버만) 특임 조교 등의 연구 그룹은 남미 칠레 아타카마 고원에 있는 알마 망원경과 프랑스 뷰루 고원에 있는 뷰루 고원 전파 간섭계 (PdBI) 등 전파 망원경을 이용해 먼 우주에 있는 7개의 스타 버스트 은하를 관측했다. 그 결과, 먼 스타 버스트 은하의 환경이 격렬한 별 형성이 일어나고 있는 근처의 스타 버스트 은하와 비슷하다는 것을 알았다. 이 결과에서 예전의 우주에서도 현재와 같은 환경에서 폭발적인 별 형성이 일어나고 있었던 가능성이 제시되었다.

 

[이미지]
충돌하는, 폭발적으로 별 형성이 일어나고 있는 은하의 예 Zw II 96. 이번 알마 망원경으로는 이 천체보다 훨씬 먼 곳에서 활발하게 별을 만들고 있는 은하를 관측했다.

 

연구의 배경
은하에서 가끔 스타 버스트라는 폭발적으로 별이 만들어지는 현상이 일어난다. 이러한 폭발적인 별 형성이 일어나고 있는 은하의 일을 스타 버스트 은하라 부르고 은하의 진화에 중요한 역할을 하고 있다고 생각되고 있다. 우리 근처에 있는 스타 버스트 은하에서는 가스가 별로 변환되는 효율이 높은 것이 알려져 있으며, 일반적인 은하에서의 별 형성과는 다른 메커니즘을 나타내고 있을 가능성이 있다. 또한 우주의 역사를 더듬어 보면 기존의 연구에서 은하에서의 별 형성은 90억 년 전에 가장 번성했던 것이 알려져 있다. 그러나 예전의 우주에서도 가까운 스타 버스트 은하에서 일어나고 있는 것 같은 가스에서 별로의 높은 효율의 변환이 일어나고 있었는지 어떤지, 혹은 예전의 우주에서는 지나치게 충분할 정도의 가스 공급이 있었기 때문에 활발한 별 형성이 일고 있었는지 어떤지 등, 폭발적인 별 형성이 일어나는 물리적 메커니즘은 완전히 밝혀져 있지 않다. 별 형성을 활발하게 하는 환경이 어떤 것인지를 조사하고 이해하는 것은 은하의 진화 과정을 이해하는 데 있어 중요하다.

 

본연구에 대해
도쿄대학 국제 고등 연구소 카브리 수학물리 제휴 우주 연구기구(Kavli IPMU)의 John D. Silverman (존 실버만) 특임 조교 등의 연구 그룹은 남미 칠레 아타 카마 고원에 있는 알마 망원경과 프랑스 뷰루 고원에 있는 뷰루 고원 전파 간섭계(PdBI 참고 1)의 두 전파 망원경을 이용하여 별 형성이 활발한 먼 거리에 있는 7개의 은하가 내는 일산화탄소 분자 가스의 전파를 관측했다. 관측한 7개의 은하는 COSMOS 필드(주 2)라는 천역에서 적외선 우주 망원경 허셜이 실시한 관측에서 찾아낸 별 형성이 활발한 은하이다. 또한 그 일부는 하와이의 스바루 망원경에 탑재된 화이바 다천체 분광기 FMOS(주 3)를 이용하여 2014년에 근적외선 영역에서의 관측도 실시하고 있다. FMOS의 관측은 분광기에서 얻은 정확한 적색 편이(주 4)의 값과 별이 만들어지는 비율(별 형성률), 금속량을 측정하는데 사용되는 수소 원자와 질소 원자, 산소 원자 각각에서 나오는 휘선을 얻을 수 있었다.

 

[이미지]
사진 2. 왼쪽 : 알마 망원경에서 얻은 PACS-867 은하의 일산화탄소 가스의 분포도. 별 형성이 이루어지고 있는 밖에도 분자 가스의 덩어리가 분포하고 있다.
중앙 : 허블 망원경의 고성능 카메라 ACS를 사용하여 얻은 PACS-867 은하의 이미지. 은하 합체의 결과 크게 교란된 구성 물질 중에 존재하는 젊은 별에서 나오는 자외선을 나타낸다. 왼쪽의 가스 분자의 위치(파란색 등고선)와 먼지에 싸여 새로운 별이 만들어지는 장소가 겹친다.
오른쪽 : 스피처 망원경에서 얻은 PACS-867 은하의 적외선 이미지 (3.6 마이크론). 먼지에 싸인 별과 분자 가스와의 관계를 나타낸다.


관측 결과 분석에서 이번에 관측한 먼 스타 버스트 은하에서는 일산화탄소 분자 가스의 양은 이미 감소하고 있었던 것인, 높은 별 형성률을 유지하고 있어 기대되는 만큼 빠른 가스량의 감소는 없는, 근처의 스타 버스트와 비슷한 상황을 보여주고 있다는 것을 알았다. 이 결과는 즉, 예전의 우주에서도 현재와 비슷한 환경에서 폭발적인 별 형성이 일어나고 있었던 가능성을 나타내는 것이 된다. 이번 연구 성과는 모든 망원경을 이용해 얻은 결과이지만, 그 중에서도 먼 은하에 존재하는 가스와 먼지의 밀도가 특히 높은 부분(분자구름 주 5)을 상세히 검사할 수 있는 알마 망원경의 능력을 살려 얻은 것이다.

John D. Silverman 특임 조교는 성과에 대해 "이러한 관측은 높은 적색 편이 은하의 중요한 성질을 쉽게 관측할 수 있는 알마 망원경이 가진 특수한 능력을 명확하게 나타내는 것으로, 이번 성과는 알마 망원경에 의해 소개된 주목할 만한 결과"라고 말했다.

 

앞으로 알마 망원경을 이용한 전파에 의한 관측과 FMOS를 이용한 근적외선에 의한 관측의 양면에서 먼 스타 버스트 은하를 더 조사하여 과거의 우주에서 어떤 환경에서 폭발적인 별 형성 일어나고 있었는지를 더 상세하게 밝히고, 과거부터 현재에 이르기까지의 은하의 진화에 다다를 것으로 기대된다.

 

[주 1] 뷰루 고원 전파 간섭계(Plateau de Bure Interferometer : PdBI)는 프랑스에 있는 뷰루 고원의 해발 2550m에 위치한 구경 15m의 파라볼라 안테나 7개로 구성된 밀리미터 파 전파 망원경. 밀리미터 파 전파 천문학 연구소(IRAM)가 운영하고 있다. 2014년부터 2019년 완료를 목표로 NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array)로 업그레이드가 이루어지고 있다.

 

[주 2] COSMOS 필드는 육분의 자리 부근에 있는 천역이다. 우주 진화 서베이(Cosmic Evolution Survey)의 프로젝트는 이 천역을 스바루 망원경과 허블 우주 망원경 등 다양한 관측 장치뿐 아니라 다양한 파장에서 관측함으로써 은하의 형성과 진화의 수수께끼에 다가서려 하고 있다 .

 

[주 3] FMOS (Fiber Multi-Obj*ct Spectrograph)는 하와이 마우나 케아에 위치한 스바루 망원경에 탑재된 화이바 다천체 분광기이다. 400개의 광섬유를 이용한 다수의 천체를 동시에 근적외선 분광 관측할 수 있다.

 

[주 4] 물체에서의 빛이 관찰자에서 보고 멀어지는 것 같은 운동에 의해 파장이 지연되는 현상. 우주는 팽창하고 있기 때문에, 먼 천체일수록 우리에서 멀어지는 속도는 빠르게, 적색편이의 값은 커지게 된다. 즉, 적색 편이 값이 큰 천체를 관측한다는 것은 먼 곳의 보다 더 오래된 우주의 천체를 관측하고 있는 것이 된다.

 

[주 5] 분자 구름은 가스와 먼지의 밀도가 특히 높은 부분이다. 주성분인 수소 분자 외에 일산화탄소나 암모니아를 비롯한 탄소와 질소, 산소 등으로 이루어진 분자도 존재하는 것으로 알려져 있으며, 별이 태어나는데 있어서의 재료가 된다. 분자 구름은 가시광선을 막아 버리기 때문에 분자 구름에서 별이 만들어져 가는 모습의 관측에는 적외선이나 전파가 사용된다.

 

논문
이 연구 성과는 Silverman et al. "A higher efficiency of converting gas to stars pushes galaxies at z ~ 1.6 well-above the star-forming main sequence"로 2015년 10월 발행 미국의 천체 물리학 전문지 「아스트로 피지컬 저널 레터스」에 게재되었다.


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