이 허블 우주 망원경 사진은 은하 그룹에 포함된 먼 은하의 세 가지 확대 이미지를 보여줍니다. 이 이미지는 중력 렌즈라고 하는 자연의 속임수에 의해 생성됩니다. 은하단의 거대한 중력은 뒤에 있는 먼 은하의 빛을 증폭하고 왜곡하여 여러 이미지를 만듭니다. SDSS J223010.47-081017.8로 분류되는 은하단은 지구에서 70억 광년 떨어져 있습니다. 허블은 중력 렌즈로 많은 은하를 관찰했습니다. 그러나 이 허블 스냅샷에 포착된 이미지는 독특합니다. 오른쪽 하단의 구름에 표시된 두 개의 확대된 이미지는 서로의 정확한 사본입니다. 두 개의 밝은 타원은 은하의 심장입니다. 이 드문 현상은 배경 은하가 공간 구조의 잔물결이기 때문에 발생합니다. 이 “파문”은 우주 질량의 대부분을 구성하는 보이지 않는 접착제인 조밀한 양의 암흑 물질의 인력으로 인해 인플레이션이 더 큰 영역입니다. 멀리 떨어진 은하의 빛이 이 잔물결을 따라 성단을 통과하면서 측면에서 볼 수 있는 세 번째 이미지와 함께 두 개의 거울 이미지가 생성됩니다. 세 번째 이미지의 클로즈업은 오른쪽 상단의 구름에 표시됩니다. 이 이미지는 110억 광년 이상 떨어져 있는 먼 은하와 매우 유사합니다. 이 이미지의 재구성을 기반으로 연구자들은 먼 은하가 연속적인 덩어리 별 형성을 갖는 지그재그 나선으로 보인다고 결정했습니다. 거울상은 그것을 발견한 천문학자의 “해밀턴 몸체”의 이름을 따서 명명되었습니다. 크레딧: Joseph DePasquale(STScI)
우주를 바라보는 것은 재미있는 집의 거울을 보는 것과 같습니다. 중력이 공간 구조를 왜곡시켜 착시 현상을 일으키기 때문입니다.
이러한 착시 현상의 대부분은 먼 은하의 빛이 앞에 있는 거대한 은하나 은하단을 통과할 때 확대되고, 늘어나고, 밝아질 때 나타납니다. 중력 렌즈 현상이라고 하는 이 현상은 배경 은하의 여러 개의 확장된 밝은 이미지를 생성합니다.
이 현상을 통해 천문학자들은 중력 렌즈의 효과를 통해서만 볼 수 있는 멀리 떨어진 은하를 연구할 수 있습니다. 과제는 렌즈에 의해 생성된 이상한 모양에서 먼 은하를 재구성하는 것입니다.
그러나 천문학자들은 허블 우주 망원경 활성 은하의 이글거리는 핵인 퀘이사를 분석하던 중 이상한 모양을 발견했습니다. 그들은 서로의 거울상처럼 보이는 두 개의 밝은 선형 물체를 발견했습니다. 또 다른 이상한 존재가 근처에 있었다.
이러한 특징은 천문학자들을 너무 혼란스럽게 하여 수수께끼를 푸는 데 몇 년이 걸렸습니다. 두 명의 중력 렌즈 전문가의 도움으로 연구원들은 세 개의 물체가 아직 발견되지 않은 먼 은하의 왜곡된 이미지라는 것을 알아냈습니다. 그러나 가장 큰 놀라움은 선형 물체가 서로의 정확한 사본이라는 점이었습니다. 배경 은하와 전경 렌즈 그룹의 정확한 정렬로 인해 드물게 발생하는 현상이었습니다.
지구 위의 허블 우주 망원경을 보여주는 3D 애니메이션. 크레딧: ESA/Hubble(M. Kornmesser 및 LL Christensen)
천문학자들은 폭발하는 별에서 충돌하는 은하에 이르기까지 우리의 광대한 우주 전체에 흩어져 있는 매우 이상한 것들을 보았습니다. 따라서 이상한 천체를 보면 식별할 수 있다고 생각할 수 있습니다.
하지만 나사허블 우주 망원경이 비슷한 모양의 한 쌍으로 보이는 물체를 발견했는데 너무 이상해서 천문학자들이 그것들이 무엇인지 결정하는 데 몇 년이 걸렸습니다.
오하이오주 포츠머스에 있는 Shawnee State University의 천문학자 Timothy Hamilton은 “우리는 정말 당황했습니다.
UFO는 한 쌍의 은하 팽대부(은하의 별으로 채워진 중심축)와 최소한 세 개의 개별 평행선으로 구성됩니다. 해밀턴은 허블을 사용하여 활성 은하의 그을린 핵인 퀘이사 그룹을 조사하는 동안 우연히 그것들을 발견했습니다.
막다른 골목을 쫓고 동료들에게 도움을 요청하고 많은 고민을 한 끝에 Hamilton과 힐로에 있는 하와이 대학의 Richard Griffiths가 이끄는 성장하는 팀은 마침내 모든 단서를 모아 미스터리를 풀게 됩니다.
선형 물체는 110억 광년 이상 떨어져 있는 중력 렌즈가 있는 먼 은하의 확대된 이미지였습니다. 그들은 서로의 동일한 이미지처럼 보였습니다.
팀은 은하의 전경에 있는 중첩되고 통합되지 않은 은하 그룹의 엄청난 중력이 그 뒤에 있는 먼 은하의 공간을 왜곡, 증폭, 밝게 및 확장하는 중력 렌즈 현상이라는 현상을 발견했습니다. 허블 조사가 중력 렌즈로 인한 거울과 거울 왜곡의 많은 부분을 보여주지만 이 물체는 독특하게 신비롭습니다.
이 경우 배경에 있는 은하와 전경에 있는 은하단 사이의 미묘한 정렬로 인해 멀리 떨어진 은하의 동일한 이미지가 확대된 두 개의 복사본이 생성됩니다. 이 드문 현상은 배경 은하가 공간 구조의 잔물결이기 때문에 발생합니다. 이 “파문”은 우주 질량의 대부분을 구성하는 보이지 않는 접착제인 조밀한 양의 암흑 물질의 인력으로 인해 인플레이션이 더 큰 영역입니다. 먼 은하의 빛이 이 잔물결을 따라 성단을 통과함에 따라 측면에서 볼 수 있는 세 번째 이미지와 함께 두 개의 거울 이미지가 생성됩니다.
Griffiths는 이 효과를 수영장 바닥에서 볼 수 있는 밝은 물결 모양 패턴과 비교합니다. “화창한 날 수영장의 물결치는 표면을 생각해 보세요. 수영장 바닥에 밝은 빛의 패턴이 보입니다.”라고 그는 설명했습니다. 바닥의 이러한 밝은 패턴은 유사한 유형의 중력 렌즈 효과에 의해 발생합니다. 표면의 잔물결은 부분 렌즈 역할을 하고 햇빛을 아래의 반짝이는 지그재그 패턴에 집중시킵니다.”
중력 렌즈가 있는 먼 은하에서 잔물결은 성단을 통과하는 배경 은하의 빛을 확대하고 왜곡합니다. 주름은 양면을 생성하는 불완전한 곡선 거울 역할을 합니다.
퍼즐을 풀다
그러나 이 드문 현상은 해밀턴이 2013년 이상한 선형 특징을 발견했을 때 잘 알려지지 않았습니다.
그가 퀘이사의 이미지를 들여다보니 반사 이미지와 평행선의 샷이 튀어나왔다. Hamilton은 전에 그런 것을 본 적이 없었고, 다른 팀원들도 그런 적이 없었습니다.
Hamilton은 “내 첫 번째 생각은 그들이 팔을 뾰족한 방식으로 뻗은 은하와 상호 작용했을 수도 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “정말 어울리지 않았지만, 나도 어떻게 생각해야 할지 몰랐어요.”
그래서 해밀턴과 팀은 이 복잡한 직선의 미스터리를 풀기 위한 탐구에 착수했으며, 이 직선은 나중에 발견자의 이름으로 “해밀턴 물체”라고 불렸습니다. 그들은 천문학 회의에서 동료들에게 이상한 이미지를 보여주었고, 이는 우주 끈에서 행성상 성운에 이르기까지 다양한 반응을 이끌어 냈습니다.
그런데 2015년 해밀턴이 나사 회의에서 해밀턴에게 그 이미지를 보여주었을 때 원래 팀의 일원이 아니었던 그리피스가 가장 그럴듯한 설명을 했습니다. 허블. 다른 거대한 은하단 이미지는 매우 먼 은하의 이미지를 증폭합니다. 그리피스는 깊은 성단에 대한 허블 조사에서 유사한 선형 물체를 알게 되었을 때 이 아이디어를 확인했습니다.
그러나 연구자들은 여전히 문제에 직면했습니다. 그들은 렌즈 질량을 결정할 수 없었습니다. 일반적으로 은하단을 연구하는 천문학자들은 반사를 일으키는 전경의 은하단을 먼저 본 다음 은하단 내에서 멀리 떨어진 은하의 확대된 이미지를 찾습니다. 슬론 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)의 이미지를 검색하면 확대된 이미지와 같은 지역에 있는 은하단이 나타났지만 인덱스 조사에서는 나타나지 않았습니다. 그러나 이상한 이미지가 클러스터의 중심에 있다는 사실은 클러스터가 렌티큘러 이미지를 생성하고 있음을 Griffiths에게 명확하게 보여주었습니다.
연구원들의 다음 단계는 세 개의 이미지가 같은 거리에서 렌즈를 꼈는지, 따라서 모두 같은 먼 은하의 왜곡된 이미지인지 확인하는 것이었습니다. 하와이의 Gemini 및 WM Keck 천문대를 이용한 분광 측정은 연구원들이 이 주장을 확인하는 데 도움이 되었으며, 이미지가 110억 광년 이상 떨어져 있는 은하에서 온 것임을 보여줍니다.
렌즈에 의한 세 번째 이미지의 재구성을 기반으로 한 먼 은하는 계속해서 덩어리진 별이 형성되는 지그재그 소용돌이처럼 보입니다.
Griffith와 Hilo의 학부생들이 분광학적으로 관찰한 것과 거의 동시에, Chicago의 별도 그룹의 연구원들이 Sloan 데이터를 사용하여 질량을 결정하고 거리를 측정했습니다. 이 성단은 70억 광년 이상 떨어져 있습니다.
그러나 클러스터에 대한 정보가 거의 없었기 때문에 Griffiths 팀은 여전히 이러한 특이한 렌즈 모양을 설명하는 방법에 대해 고심하고 있었습니다. Griffiths는 “이 중력 렌즈는 특히 Hubble Frontier Fields의 클러스터 조사에서 Hubble이 이전에 연구한 대부분의 렌즈와 매우 다릅니다.”라고 설명했습니다. “많은 렌즈를 찾기 위해 너무 오랫동안 그 클러스터를 응시할 필요가 없습니다. 이 물체에서 이것은 우리가 가진 유일한 렌즈입니다. 그리고 우리는 처음에 클러스터에 대해 알지도 못했습니다.”
보이지 않는 매핑
그 때 Griffith는 중력 렌즈 이론 전문가인 독일 하이델베르그 대학의 Jenny Wagner에게 연락했습니다. Wagner는 유사한 물체를 연구했으며 현재 영국 맨체스터 대학에 있는 그의 동료인 Nicholas Tessur와 함께 이와 같은 독특한 렌즈를 해석하는 컴퓨터 프로그램을 개발했습니다. 그들의 소프트웨어는 팀이 렌즈와 함께 세 개의 이미지가 어떻게 나타나는지 발견하는 데 도움이 되었습니다. 그들은 확장된 이미지 주변의 암흑 물질이 작은 규모의 공간에 “부드럽게” 분포되어야 한다고 결론지었습니다.
Wagner는 “이 위치에서 암흑 물질이 얼마나 덩어리져 있는지 측정하기 위해 두 개의 거울 이미지만 필요하다는 것은 훌륭합니다.”라고 말했습니다. “여기서 우리는 어떤 렌즈 모델도 사용하지 않습니다. 우리는 단지 여러 이미지에서 관찰할 수 있는 것과 그것들이 서로 바뀔 수 있다는 사실만을 가져옵니다. 그것들은 우리의 방법으로 함께 접힐 수 있습니다. 이것은 우리에게 정말로 아이디어를 줍니다. 암흑 물질이 이 두 위치에서 얼마나 매끄러운지.”
천문학자들은 암흑물질이 발견된 지 거의 100년이 지난 지금도 여전히 암흑물질이 무엇인지 알지 못하기 때문에 이 발견은 중요하다고 그리피스는 말했다. 우리는 그것이 물질의 한 형태라는 것을 알고 있지만 입자가 무엇으로 이루어져 있는지는 모릅니다. 그래서 우리는 그가 어떻게 행동하는지 전혀 모릅니다. 우리는 그것이 질량을 가지고 있고 중력을 받는다는 것만 압니다. 응집 또는 부드러움에서 크기 제한의 중요성은 입자가 무엇인지에 대한 몇 가지 단서를 제공한다는 것입니다. 암흑 물질이 작을수록 입자는 더 커야합니다.”
팀 페이퍼는 9월호에 실렸습니다. 왕립천문학회 월간 공지.
참조: Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang 및 Caroline Felforth의 “Hamilton’s Body – A Clustered Galaxy Stretching Against Caustic Gravity of the Galactic Crowd: Constraints on Dark Matter Clustering”, 5월 17일, 2021년, 왕립천문학회 월간 공지.
DOI: 10.1093/mnras/stab1375
허블 우주 망원경은 NASA와 유럽 우주국(ESA) 간의 국제 협력 프로젝트입니다. 망원경은 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA의 고다드 우주 비행 센터에서 운영합니다. 메릴랜드 주 볼티모어에 있는 우주 망원경 과학 연구소(STScI)는 허블 과학 작업을 수행합니다. STScI는 워싱턴 DC에 있는 천문학 연구 대학 컨소시엄에서 NASA를 위해 운영하고 있습니다.
“음악 팬. 매우 겸손한 탐험가. 분석가. 여행 괴짜. 익스트림 TV 전문가. 게이머.”
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