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원시은하

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목차

1. 개요

원시은하는 초기 우주에서 형성된, 우리 은하보다 작은 기체운과 초기 별들로 이루어진 천체이다. 암흑 물질의 중력에 의해 수소 기체 덩어리가 형성되고, 이 기체 덩어리에서 최초의 별들이 탄생하면서 원시은하가 시작된다. 이러한 원시은하들은 중력에 의해 서로 충돌하고 병합하여 현재의 거대한 은하를 형성하며, 계층적 조립 과정을 따른다. 원시은하는 대부분 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며, 별의 형성으로 인해 수소는 핵융합을 통해 더 무거운 원소로 변환된다. 원시은하는 자유낙하, 각운동량 획득, 복사 및 중력 속박 에너지 방출을 통해 물리적 특성을 갖게 된다. 원시은하는 지구에서 매우 멀리 떨어져 있어 관측이 어렵지만, 1996년, 2006년, 2007년에 각각 원시은하 후보와 관련된 연구 결과가 발표되었다.

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원시은하
개요
종류원시 은하
정의가스 구름이 은하로 형성되는 단계
특징낮은 중원소 함량
높은 가스 함량
높은 별 형성률
중요성초기 우주 진화 연구
은하 형성 과정 이해
어원
유래'proto- (최초의) + galaxy (은하)'
특징
낮은 중원소 함량초기 우주는 수소와 헬륨이 주성분
중원소는 별 내부의 핵융합으로 생성
원시 은하는 별의 진화가 덜 진행되어 중원소 함량이 낮음
높은 가스 함량은하 형성의 재료인 가스가 풍부
별 형성 활동이 활발
높은 별 형성률풍부한 가스를 바탕으로 별들이 활발하게 생성
젊고 뜨거운 별들이 많아 푸른색을 띔
관측
방법허블 우주 망원경
제임스 웹 우주 망원경
지상 망원경
어려움매우 멀리 떨어져 있어 관측이 어려움
희미하고 작은 천체
연구
목표초기 우주의 은하 형성 과정 이해
은하 진화 모델 검증
우주 거대 구조 형성 연구
미래더 강력한 망원경을 통한 관측
컴퓨터 시뮬레이션을 통한 연구

2. 형성

초기 우주는 거의 일정한 물질 및 암흑물질 분포로부터 시작하여, 양자 요동에 의해 발생한 초기 밀도 변동으로 암흑물질이 중력에 의해 뭉치기 시작했다.[14] 이는 하이젠베르크의 불확정성 원리를 통해 유도되며, 질량-에너지 동등성에 의해 입자/반입자 쌍이 형성되어 중력 중심을 형성한다. 양자 요동은 우주 팽창에 따라 규모가 커져 밀도가 높은 영역을 형성하고, 이 뭉치들의 중력이 주변 물질을 끌어당긴다.[15] 2006년 닐슨 등의 연구에서 이 과정이 관측 및 분석되었으며,[16][17] 그 결과 수소 기체운이 형성되고 1세대 별들이 탄생하여 우리은하보다 작은 1세대 원시은하가 되었다.[18]

작은 원시은하 군집은 중력으로 인해 충돌, 병합하여 더 큰 은하를 형성하는데, 이는 계층적 병합 과정을 따른다.[14][19]

2. 1. 초기 우주

초기 우주는 물질 및 암흑물질이 거의 균일하게 분포된 상태(각 입자들이 서로 같은 거리에 위치)로 시작되었다. 이후 양자 요동에 의해 발생한 초기 밀도 변동 스펙트럼으로 인해 암흑물질이 중력에 의해 서로 뭉치기 시작하였다.[14] 이는 진공에서 에너지의 크기가 찰나의 시간에 변화한다는 하이젠베르크의 불확정성 원리를 통해 유도할 수 있다. 그러한 에너지로부터 질량-에너지 동등성을 통해 입자/반입자 쌍이 형성되며, 그들의 중력을 통해 근처의 다른 입자들을 자신의 방향으로 움직이게 만들면서 비균일한 분포를 야기하며 근처의 입자들을 더욱 가깝게 끌어당기는 중력 중심을 형성하게 된다. 양자 요동이 너무 작기 때문에 우주의 현재 크기에서 무시할 수 있을 만한 수준이지만, 우주가 단일 점에서 팽창하기 시작하면서 우주 크기가 증가함에 따라 그 규모도 커져 결과적으로 높은 밀도의 큰 영역이 형성된다. 따라서 이러한 밀한 암흑물질 뭉치들의 중력이 근처의 물질들을 자신의 방향, 즉 밀한 영역으로 떨어지게 만든다.[15] 이런 유형의 과정은 2006년에 닐슨 등이 관측하고 분석했다고 한다.[16][17] 그 결과로 대부분 수소로 이루어진 기체운이 형성되고, 그 구름에서 1세대 별들이 형성되기 시작하였다. 여기서 우리은하보다 몇 배는 작은 기체운과 초기의 별들이 1세대 원시은하이다.[18]

2. 2. 은하 병합

원시은하들의 충돌을 보여주는 상상도


정립된 이론에 따르면 작은 원시 은하 집단들은 중력에 의해 서로 끌려와 충돌하여 오늘날 우리가 볼 수 있는 훨씬 더 큰 "성숙한" 은하를 형성했다.[5] 이는 계층적 병합 과정을 따르며, 더 큰 천체가 더 작은 천체의 병합을 통해 지속적으로 형성되는 과정이다.[14][19]

  • 참고: 동일한 이미지가 중복되어 하나를 제거함.

3. 물리량

원시은하의 물리량에는 조성, 운동, 광도가 있다.

3. 1. 조성

원시은하는 과거에 다른 원소를 형성했던 별의 형성이 없었기 때문에 거의 대부분이 수소와 헬륨으로 이루어져 있었다. 수소는 몇 가지 예외가 있긴 하지만 H2 분자의 형태로 있었다.[20] 별의 형성이 시작되면서 수소는 핵융합을 통해 더 무거운 원소로 변하였다.

3. 2. 운동

원시은하가 형성되기 시작하면, 그 중력에 속박된 모든 입자들은 원시은하 쪽으로 자유낙하하기 시작한다. 자유낙하에 소요되는 시간은 대략적으로 자유낙하 방정식을 통해 계산할 수 있다. 대부분의 은하는 이 자유낙하 단계에서 완성되어 안정적인 타원은하나 완전한 형태에 이르기까지 긴 시간이 소요되는 원반은하가 되었다. 은하단의 형성에 관해서는 훨씬 긴 시간이 소요되며 현재도 그 과정에 있다.[14] [1] 또한 이 단계에서 은하는 현재 자신이 갖고 있는 대부분의 각운동량을 얻었다. 원시은하는 초기 우주에서 이웃한 밀한 뭉치의 중력적 영향으로 인해 각운동량을 얻었으며, 더 빠르게 회전하면서 구성 기체가 중심으로부터 멀어지게 된다.[21] [8]

3. 3. 광도

원시은하의 광도는 두 가지 원인에서 비롯된다. 가장 큰 비중을 차지하는 것은 첫 세대 별에서 수소의 핵융합을 통해 헬륨이 형성되면서 발생하는 복사이다. 이 시기의 폭발적 항성생성은 원시은하의 광도를 오늘날의 폭발적 항성생성 은하나 퀘이사에 준하게 만들었을 것이다. 다른 하나는 중력 속박 에너지의 대량 방출에 의한 것이다.[14] 원시은하에서 방출되는 것으로 예측되는 빛의 기본적인 파장은 라이먼 알파선이라 불리는 다양한 자외선이다. 이 자외선은 별의 복사로 인해 전리된 수소 기체에 의해 방출된다.[14][18][1]

4. 관측

원시은하는 우주의 매우 먼 곳에서 빛이 방출되어 오랜 시간 동안 지구로 이동하기 때문에 이론적으로 오늘날에도 관측할 수 있다. 은하가 어떻게 형성되었는지 알 수 있기 때문에 지난 30년간 여러 망원경을 통해 원시은하를 찾기 위한 많은 노력이 이루어졌다. 그러나 원시은하에서 방출된 빛은 매우 먼 거리에서 오기 때문에 관측이 매우 어렵다. 빛은 늙기(적색편이, 역제곱 법칙)를 충분히 격을 만큼의 거리에서 오며, 라이먼 알파선이 티끌에 의해 꽤나 손쉽게 흡수된다. 때문에 천문학자들은 원시은하가 관측하기 힘들 만큼 희미하다고 생각하고 있다.[22]

4. 1. 관측의 어려움

원시은하는 우주의 매우 먼 곳에서 방출된 빛이 매우 오랜 시간에 걸쳐 지구에 도달하기 때문에 이론적으로 오늘날에도 관측 가능하다. 그러나 원시은하에서 방출된 빛은 늙기(적색편이, 역제곱 법칙)에 충분할 만큼 매우 먼 거리에서 오기 때문에 관측이 매우 어렵다. 이는 라이먼 알파선이 티끌에 의해 꽤나 손쉽게 흡수된다는 사실과 연관이 있는데, 때문에 천문학자들은 원시은하가 관측하기 힘들 만큼 희미하다고 생각하고 있다.[22]

1996년, 캐나다 관측 우주론 네트워크(CNOC)를 이용해 원시은하 후보 하나가 발견되었다. 이 천체는 매우 큰 광도를 가진 고적색편이 원반형 은하였다.[23] 후에 은하의 엄청난 광도가 전경의 은하단의 중력렌즈를 통해 과장된 것이라는 논쟁이 있었다.[24]

2006년에는 라이먼 알파 UV 복사를 방출하는 "거품"이 발견되었다. 분석에 따르면 이것이 초기 우주에서 암흑물질 뭉치로 떨어지면서 원시은하를 형성하고 있는 거대한 수소기체운이라고 한다.[16][17]

2007년에는 VLT를 통해 대량의 라이먼 알파형 UV 복사를 방출하는 수십 개의 별개의 천체의 은하간 기체로부터의 신호가 연구되었다. 이들은 그러한 27개의 천체가 110억 년 전 원시은하에 해당할 것이라고 결론 내렸다.[18]

4. 2. 관측 사례

원시은하는 우주의 매우 먼 곳에서 방출된 빛이 오랜 시간에 걸쳐 지구에 도달하기 때문에 오늘날에도 이론적으로 관측 가능하다. 이러한 원시은하의 발견은 은하 형성 과정을 밝히는 데 중요하기에, 지난 30년 동안 여러 망원경을 통해 관측하려는 노력이 이루어졌다. 그러나 원시은하에서 방출된 빛은 매우 먼 거리를 지나오면서 적색편이와 역제곱 법칙에 의해 약해지고, 라이먼 알파선이 티끌에 쉽게 흡수되어 관측이 매우 어렵다. 천문학자들은 원시은하가 매우 희미할 것이라고 예상했다.[22]

1996년, 캐나다 관측 우주론 네트워크(CNOC)를 통해 이(Yee) 등이 원시은하 후보를 발견했다. 이 천체는 매우 큰 광도를 가진 고적색편이 원반형 은하였다.[23] 그러나 이후 이 천체의 광도가 전경 은하단의 중력 렌즈 효과로 인해 과장되었다는 주장이 제기되었다.[24]

2006년, K. 닐슨 등은 라이먼 알파 UV 복사를 방출하는 "거품"을 발견했다. 이는 초기 우주에서 암흑물질 뭉치로 떨어지는 거대한 수소 기체 구름이 원시은하를 형성하는 과정으로 분석되었다.[16][17]

2007년, 마이클 로치 등[25]은 VLT를 통해 대량의 라이먼 알파형 UV 복사를 방출하는 수십 개의 천체를 연구했다. 이들은 이 천체들이 110억 년 전 원시은하에 해당한다고 결론 내렸다.[18]

5. 한국의 연구 현황

(내용 없음)

참조

[1] 서적 Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics Institute of Physics Publishing, Nature Publishing Group 2001
[2] 서적 History of the Universe http://historyoftheu[...] Penny Press 2014-07-18
[3] 논문 A Lyman-α blob in the GOODS South field: evidence for cold accretion onto a dark matter halo 2006-06
[4] 웹사이트 Rare Blob Unveiled: Evidence For Hydrogen Gas Falling Onto A Dark Matter Clump? https://www.scienced[...] 2014-07-22
[5] 웹사이트 Proto-galaxies tip cold dark matter http://physicsworld.[...] 2014-07-18
[6] 서적 Galaxies: Sixth Advanced Course of the Swiss Society of Astronomy and Astrophysics Geneva Observatory 1976
[7] 논문 The Supernova That Destroyed a Protogalaxy: Prompt Chemical Enrichment and Supermassive Black Hole Growth 2013-08-16
[8] 서적 Evolutionary Phenomena in Galaxies Cambridge University Press 1989
[9] 웹사이트 Protogalaxies http://ned.ipac.calt[...] 2014-07-18
[10] 논문 A Proto-Galaxy Candidate at z=2.7 Discovered by its Young Stellar Population 1996-05
[11] 논문 The giant protogalaxy cB 58: an artefact of gravitational lensing? 1996-08
[12] 논문 A Population of Faint Extended Line Emitters and the Host Galaxies of Optically Thick QSO Absorption Systems 2008-07
[13] 문서 한국천문학회 편 《천문학용어집》 266쪽 우단 8째줄
[14] 서적 Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics Institute of Physics Publishing, Nature Publishing Group 2014-07-17
[15] 서적 History of the Universe http://historyoftheu[...] Penny Press 2014-07-18
[16] 논문 A Lyman-α blob in the GOODS South field: evidence for cold accretion onto a dark matter halo http://arxiv.org/abs[...] 2014-07-22
[17] 웹인용 Rare Blob Unveiled: Evidence For Hydrogen Gas Falling Onto A Dark Matter Clump? http://www.scienceda[...] 2014-07-22
[18] 웹인용 Proto-galaxies tip cold dark matter http://physicsworld.[...] 2014-07-18
[19] 서적 Galaxies: Sixth Advanced Course of the Swiss Society of Astronomy and Astrophysics Geneva Observatory 2014-07-22
[20] 논문 THE SUPERNOVA THAT DESTROYED A PROTOGALAXY: PROMPT CHEMICAL ENRICHMENT AND SUPERMASSIVE BLACK HOLE GROWTH http://iopscience.io[...] 2014-07-18
[21] 서적 Evolutionary Phenomena in Galaxies https://archive.org/[...] Cambridge University Press 2014-07-21
[22] 웹인용 Protogalaxies http://ned.ipac.calt[...] 2014-07-18
[23] 논문 A Proto-Galaxy Candidate at z=2.7 Discovered by its Young Stellar Population http://adsabs.harvar[...] 2014-07-21
[24] 논문 The giant protogalaxy cB 58: an artefact of gravitational lensing? http://adsabs.harvar[...] 2014-07-21
[25] 논문 A Population of Faint Extended Line Emitters and the Host Galaxies of Optically Thick QSO Absorption Systems http://arxiv.org/abs[...] 2014-07-18


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