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특이운동

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목차

1. 개요

특이운동은 은하천문학에서 국부표준정지좌표계에 대한 천체의 상대운동 및 상대속도를, 물리우주론에서는 허블의 법칙을 따르지 않는 은하의 후퇴속도 및 운동을 의미한다. 은하 내에서 별의 운동과 은하단 내 은하들의 중력적 상호작용으로 인한 속도 차이를 설명하며, 관측된 적색편이에 영향을 미친다. 특이 속도는 우주론적 매개변수 연구에 활용되며, 벌크 플로우는 중력 이론과 비교 연구의 대상이 된다.

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    밀도파는 나선 은하의 팔이 물질의 흐름이 아닌 밀도 변화로 이루어졌다는 이론으로, 은하 내 별, 가스, 먼지 등이 밀도파를 통과하며 압축되고 별의 중력적 인력으로 나선 패턴이 유지되며 별 형성을 촉진하는 현상을 설명한다.
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특이운동
특이 운동
유형별의 운동
부분총체 운동
속성
원인중력
질량 분포의 불균일성
측정 방법적색편이 측정
관련 개념허블의 법칙
상세 정보
설명특이 운동은 우주의 팽창으로 인한 허블 흐름을 제외한 천체의 운동을 의미한다. 특이 운동은 은하 또는 다른 천체가 우주 내에서 보이는 움직임으로, 우주의 팽창으로 인한 움직임에 추가된다.
원인특이 운동은 주변 질량의 중력적 끌림으로 인해 발생하며, 질량 분포의 불균일성으로 인해 천체들이 특정 방향으로 끌리게 된다.
측정특이 운동은 적색편이를 측정하여 결정할 수 있다. 관측된 적색편이에서 허블 흐름으로 인한 부분을 제거하면 특이 운동으로 인한 적색편이를 얻을 수 있다.
중요성특이 운동을 연구함으로써 우주의 대규모 구조와 암흑 물질의 분포에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다. 은하의 특이 운동은 은하가 위치한 지역의 총 질량 밀도에 따라 달라지며, 이를 통해 암흑 물질의 양과 분포를 추정할 수 있다.
추가 정보
관련 연구특이 운동에 대한 연구는 우주론에서 중요한 부분을 차지하며, 우주의 진화와 구조 형성에 대한 이해를 높이는 데 기여한다.

2. 은하천문학

은하천문학에서 '''특이 운동'''은 보통 별의 은하 기준 틀에 대한 운동을 의미한다. 지역 천체는 일반적으로 위치각과 시선 속도의 벡터로 조사된다. 이들은 벡터 합을 통해 결합하여 태양에 대한 천체의 운동을 나타낼 수 있다. 지역 천체의 속도는 때때로 태양의 휴지 좌표계 대신 국부 정지 기준(LSR) — 은하 내 물질의 평균 국부 운동 —을 기준으로 보고된다. LSR과 태양 중심 휴지 좌표계 사이의 변환에는 LSR에서 태양의 특이 속도를 계산해야 한다.[1]

2. 1. 국부 표준 정지 좌표계

은하천문학에서 특이운동 및 특이속도란 국부표준정지좌표계에 대한 천체(보통 항성)의 상대운동 및 상대속도를 말한다.[1] 지역 천체는 일반적으로 위치각과 시선 속도의 벡터로 조사된다. 이들은 벡터 합을 통해 결합하여 태양에 대한 천체의 운동을 나타낼 수 있다. 지역 천체의 속도는 때때로 태양의 휴지 좌표계 대신 국부 정지 기준(LSR) — 은하 내 물질의 평균 국부 운동 —을 기준으로 보고된다. LSR과 태양 중심 휴지 좌표계 사이의 변환에는 LSR에서 태양의 특이 속도를 계산해야 한다.[1]

2. 2. 고유 운동과 시선 속도

은하천문학에서 지역 천체는 일반적으로 위치각과 시선 속도의 벡터로 조사된다. 이들은 벡터 합을 통해 결합하여 태양에 대한 천체의 운동을 나타낼 수 있다. 지역 천체의 속도는 때때로 태양의 휴지 좌표계 대신 국부 정지 기준(LSR) — 은하 내 물질의 평균 국부 운동 —을 기준으로 보고된다. LSR과 태양 중심 휴지 좌표계 사이의 변환에는 LSR에서 태양의 특이 속도를 계산해야 한다.[1]

3. 물리우주론

물리우주론에서 '''특이 운동'''은 은하의 속도 중 허블의 법칙에서 벗어나는 성분을 말한다. 허블의 법칙에 따르면 은하들은 우리로부터의 거리에 비례하는 속도로 멀어진다.

은하들은 관측 가능한 공간 전체에 균일하게 분포하지 않고, 일반적으로 은하단이나 은하 무리에서 발견되며, 이 안에서 서로에게 상당한 중력 영향을 미친다. 이러한 중력적 인력으로 인해 발생하는 은하들의 속도 분산은 일반적으로 초당 수백 킬로미터에 달하지만, 밀집된 은하단에서는 1000km/s 이상으로 증가할 수 있다.[2] 이 속도는 허블 흐름에서 예상되는 후퇴 속도를 변경할 수 있으며, 상대론적 도플러 효과를 통해 관측된 물체의 적색편이에 영향을 미친다.

특이 속도는 우주에 대한 유용한 정보를 포함할 수 있으며, 상관된 특이 속도와 질량 분포 사이의 연결은 특이 속도 조사를 사용하여 우주론적 매개변수에 대한 제약 조건을 결정하는 도구로 제안되었다.[7][8]

3. 1. 허블 법칙과 특이 속도

물리우주론에서 특이속도 및 특이운동은 허블의 법칙을 따르지 않는 은하의 후퇴속도 및 그 운동을 말한다.

에드윈 허블이 제기하고 많은 천문학자들이 인정한 바에 따르면, 은하들은 우리에게서 떨어진 거리에 비례하는 속도로 멀어져 가고 있다. 그런데 은하단처럼 수십에서 수천 개의 은하들이 뭉쳐있는 경우, 은하들끼리 중력적 상호작용을 일으켜 허블의 법칙에 의해 기대되는 후퇴속도보다 더 빠르거나 느리게 관측된다. 이때 은하단의 은하들의 속도를 평균을 내면 은하단을 구성하는 각 은하들의 특이속도가 서로 상쇄되어 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다.[2]

하늘색 동그라미 안의 점들은 처녀자리 은하단의 은하들이다. 허블의 법칙의 전체적 추세선의 위아래로 마구 튀는 것을 볼 수 있다.


우리에게 너무 가까운 은하들도 특이운동을 하는데, 안드로메다 은하만 하더라도 후퇴하기는커녕 우리은하를 향해 접근해오고 있다. 때문에 우리은하에서 가까운 은하만 가지고 허블 법칙을 유도하면 오류가 나게 된다. 데이터에 먼 은하들이 많아질수록 우리은하와 데이터상의 은하들 간의 중력적 상호작용이 줄어들기에 정확한 허블 상수를 얻을 수 있다.

은하들은 관측 가능한 공간 전체에 균일하게 분포하지 않고, 일반적으로 은하단이나 은하 무리에서 발견되며, 이 안에서 서로에게 상당한 중력의 영향을 미친다. 이러한 중력적 인력으로 인해 발생하는 은하들의 속도 분산은 일반적으로 초당 수백 킬로미터에 달하지만, 밀집된 은하단에서는 1000 km/s 이상으로 증가할 수 있다. 이 속도는 허블 흐름에서 예상되는 후퇴 속도를 변경할 수 있으며, 상대론적 도플러 효과를 통해 관측된 물체의 적색편이에 영향을 미친다.

특이 속도에 의한 도플러 적색편이는 다음과 같다.

:1+z_{pec}=\sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}

이는 근사적으로

:z \approx v/c

로 표현되며, 이는 낮은 속도(작은 적색편이)에 적용된다. 이는 허블 흐름으로부터의 적색편이와 우리 자신의 움직임으로부터의 적색편이 z_\odot과 결합되어 관측된 적색편이를 다음과 같이 나타낸다.[5]

:1+z_{obs} = (1+z_{pec})(1+z_H)(1+z_\odot).

(중력 적색편이도 고려해야 할 수 있다.[5])

우주론적으로 "가까운" 물체의 방사 속도는 다음으로 근사할 수 있다.

:v_{r} = H_0 d + v_{pec}

여기서 H_0는 허블 상수이고 d는 물체까지의 거리이며, 허블 흐름과 특이 속도 항 모두에서 기여한다.

적색편이-공간 왜곡은 특이 속도의 원인에 따라 우주론적 물체의 공간 분포가 길어지거나 평평해 보이게 할 수 있다.[3] 때때로 "신의 손가락" 효과라고 불리는 신장은 물체의 무작위 열 운동에 의해 발생하지만, 중력 쇄하로부터의 상관된 특이 속도는 평평해지는 효과의 원인이다.[4] 주요 결과는 단일 은하의 거리를 결정할 때 가능한 오차를 가정해야 한다는 것이다. 이 오차는 거리가 증가함에 따라 작아진다. 예를 들어, Ia형 초신성의 조사에서 특이 속도는 약 0.5 정도의 적색편이까지 측정에 상당한 영향을 미쳐, 우주론적 매개변수를 계산할 때 몇 퍼센트의 오차를 유발한다.[5][6]

3. 2. 중력 상호작용과 속도 분산

물리 우주론에서, 은하들은 은하단이나 은하 무리와 같이 무리를 이루는 경향이 있으며, 이들은 서로에게 상당한 중력의 영향을 미친다. 이러한 중력적 인력으로 인해 발생하는 은하들의 속도 분산은 일반적으로 초당 수백 킬로미터에 달하지만, 밀집된 은하단에서는 1000 km/s 이상으로 증가할 수 있다.[2]

이 속도는 허블의 법칙에서 예상되는 후퇴 속도를 변경시킬 수 있으며, 상대론적 도플러 효과를 통해 관측된 물체의 적색편이에 영향을 미친다. 특이 속도에 의한 도플러 적색편이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:1+z_{pec}=\sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}

이는 낮은 속도(작은 적색편이)에서 다음과 같이 근사할 수 있다.

:z \approx v/c

이 값은 허블 흐름 및 우리 자신의 움직임으로 인한 적색편이와 결합되어 관측된 적색편이를 결정한다.[5]

:1+z_{obs} = (1+z_{pec})(1+z_H)(1+z_\odot).

(중력 적색편이도 고려될 수 있다.[5])

우주론적으로 "가까운" 물체의 방사 속도는 허블 흐름과 특이 속도 항을 모두 포함하여 다음과 같이 근사할 수 있다.

:v_{r} = H_0 d + v_{pec}

여기서 H_0는 허블 상수이고 d는 물체까지의 거리이다.

적색편이-공간 왜곡은 특이 속도의 원인에 따라 우주론적 물체의 공간 분포가 길어지거나 평평해 보이게 할 수 있다.[3] "신의 손가락" 효과라고 불리는 신장은 물체의 무작위 열 운동에 의해 발생하지만, 중력 쇄하로부터의 상관된 특이 속도는 평평해지는 효과를 유발한다.[4]

이러한 특이 속도는 단일 은하의 거리를 결정할 때 오차를 유발할 수 있으며, 이 오차는 거리가 증가함에 따라 작아진다. 예를 들어, Ia형 초신성 조사에서 특이 속도는 약 0.5 정도의 적색편이까지 측정에 상당한 영향을 미쳐, 우주론적 매개변수 계산에 몇 퍼센트의 오차를 유발할 수 있다.[5][6]

특이 속도는 우주에 대한 유용한 정보를 포함할 수 있으며, 상관된 특이 속도와 질량 분포 사이의 연결은 우주론적 매개변수에 대한 제약 조건을 결정하는 도구로 제안되기도 한다.[7][8]

3. 3. 적색편이와 특이 속도

물리우주론에서 특이속도는 허블의 법칙을 따르지 않는 은하의 후퇴속도 성분이다. 에드윈 허블이 제기하고 많은 천문학자들이 인정한 바에 따르면, 은하들은 우리에게서 떨어진 거리에 비례하는 속도로 멀어지고 있다.

은하단이나 은하 무리처럼 은하들이 뭉쳐있는 경우, 은하들끼리 중력적 상호작용을 일으켜 허블의 법칙에 의해 기대되는 후퇴속도보다 빠르거나 느리게 관측된다. 이때 은하단 은하들의 속도 평균을 내면, 각 은하들의 특이속도가 상쇄되어 더 정확한 데이터를 얻을 수 있다.

우리에게 너무 가까운 은하들도 특이운동을 하는데, 안드로메다 은하는 우리은하를 향해 접근해오고 있다. 따라서 우리은하에서 가까운 은하만 가지고 허블 법칙을 유도하면 오류가 발생한다.

특이 속도에 의한 도플러 적색편이는 다음과 같다.

:1+z_{pec}=\sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}

이는 낮은 속도에서 근사적으로 다음과 같이 표현된다.

:z \approx v/c

이는 허블 흐름 및 우리 자신의 움직임으로부터의 적색편이와 결합되어 관측된 적색편이를 다음과 같이 나타낸다.

:1+z_{obs} = (1+z_{pec})(1+z_H)(1+z_\odot).

우주론적으로 "가까운" 물체의 방사 속도는 다음으로 근사할 수 있다.

:v_{r} = H_0 d + v_{pec}

여기서 H_0는 허블 상수이고 d는 물체까지의 거리이다.

적색편이-공간 왜곡은 특이 속도의 원인에 따라 우주론적 물체의 공간 분포가 길어지거나 평평해 보이게 할 수 있다.[3] 단일 은하의 거리를 결정할 때 가능한 오차를 가정해야 하며, 이 오차는 거리가 증가함에 따라 작아진다. 예를 들어, Ia형 초신성 조사에서 특이 속도는 약 0.5 정도의 적색편이까지 측정에 상당한 영향을 미쳐, 우주론적 매개변수 계산에 몇 퍼센트의 오차를 유발한다.[5][6]

3. 4. 적색편이 공간 왜곡

물리 우주론에서, 은하의 특이 운동은 허블의 법칙에서 벗어나는 속도 성분을 의미한다. 허블의 법칙에 따르면 은하들은 우리로부터의 거리에 비례하는 속도로 멀어진다.

은하들은 관측 가능한 공간 전체에 균일하게 분포하지 않고, 은하단이나 은하 무리에서 발견되며, 이 안에서 서로에게 상당한 중력의 영향을 미친다. 이러한 중력적 인력으로 인해 발생하는 은하들의 속도 분산은 일반적으로 초당 수백 킬로미터에 달하지만, 밀집된 은하단에서는 1000km/s 이상으로 증가할 수 있다.[2] 이 속도는 허블 흐름에서 예상되는 후퇴 속도를 변경할 수 있으며, 상대론적 도플러 효과를 통해 관측된 물체의 적색편이에 영향을 미친다.

적색편이-공간 왜곡은 특이 속도의 원인에 따라 우주론적 물체의 공간 분포가 길어지거나 평평해 보이게 할 수 있다.[3] 때때로 "신의 손가락" 효과라고 불리는 신장은 물체의 무작위 열 운동에 의해 발생하지만, 중력 쇄하로부터의 상관된 특이 속도는 평평해지는 효과의 원인이다.[4] 주요 결과는 단일 은하의 거리를 결정할 때 가능한 오차를 가정해야 한다는 것이다. 이 오차는 거리가 증가함에 따라 작아진다. 예를 들어, Ia형 초신성의 조사에서 특이 속도는 약 0.5 정도의 적색편이까지 측정에 상당한 영향을 미쳐, 우주론적 매개변수를 계산할 때 몇 퍼센트의 오차를 유발한다.[5][6]

3. 5. 벌크 플로우 (Bulk flow)

물리 우주론에서 은하의 속도 중 허블의 법칙에서 벗어나는 성분을 특이 운동이라고 하며, 특이 속도의 평균을 '''벌크 플로우'''라고 한다. 허블의 법칙에 따르면 은하들은 우리로부터의 거리에 비례하는 속도로 멀어진다. 하지만 은하들은 은하단이나 은하 무리에서 서로에게 중력의 영향을 미치기 때문에, 이러한 중력적 인력으로 인해 발생하는 은하들의 속도 분산은 특이 속도를 발생시킨다.

적색편이-공간 왜곡은 특이 속도의 원인에 따라 우주론적 물체의 공간 분포가 길어지거나 평평해 보이게 할 수 있다.[3] 중력 쇄하로부터의 상관된 특이 속도는 평평해지는 효과의 원인이 된다.[4] 단일 은하의 거리를 결정할 때 가능한 오차를 가정해야 하며, 이 오차는 거리가 증가함에 따라 작아진다.

특이 속도는 우주에 대한 유용한 정보를 포함할 수 있다. 상관된 특이 속도와 질량 분포 사이의 연결은 특이 속도 조사를 사용하여 우주론적 매개변수에 대한 제약 조건을 결정하는 도구로 제안되었다.[7][8]

현재 벌크 플로우 실험 값에 대한 분석은 람다-CDM 모형과 잘 일치하지 않는다.[9]

참조

[1] 논문 Local kinematics and the local standard of rest 2010
[2] 논문 Velocity dispersions in galaxy clusters
[3] 논문 Clustering in real space and in redshift space
[4] 논문 Redshift-space distortions
[5] 논문 The Effect of Peculiar Velocities on Supernova Cosmology
[6] 논문 Anisotropies in Luminosity Distance
[7] 논문 Measuring the velocity field from type Ia supernovae in an LSST-like sky survey 2017-01-01
[8] 논문 Observational probes of cosmic acceleration
[9] 서적 Hubble Constant Tension 2023-10-24


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