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다른 은하와의 만남을 기억하며 회전하는 은하 - 이웃 은하와의 상호작용이 은하의 회전을 변화시킨다는 증거 포착 2019-02-20

■ 우리 은하를 비롯한 대부분 은하는 회전하고 있고, 고립되기보다는 다른 이웃 은하들 속에서 조화를 이루며 존재한다. 은하들은 때로 가까운 거리를 스쳐 지나가며 상호작용을 주고받기도 하는데, 그러한 상호작용이 은하의 회전에 직접적인 영향을 미친다는 관측 증거가 이번에 최초로 발견됐다.


■ 한국천문연구원 연구진은 3차원 분광 관측 자료 분석을 통해 은하의 회전 방향이 이웃 은하의 평균적인 운동 방향과 뚜렷한 상관성을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 이러한 상관성은 최대 260만 광년 떨어진 이웃 은하들에서도 발견됐다. 은하가 1억 년에 6만 광년 정도를 이동한다고 추정할 때 은하는 약 40여 억 년 전에 다른 은하와 만났던 기억을 회전이라는 운동학적 성질로써 간직하고 있는 셈이다. 


□ 은하 회전과 이웃 은하 운동의 상관성은 은하의 외곽부 회전에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. 은하의 안쪽보다는 바깥쪽이 더 외부의 영향을 받기 쉽기 때문이다. 또한, 회전하는 은하가 어둡고 가벼울수록, 이웃 은하는 밝고 무거울수록 상관성이 높게 나타난다. 가벼운 은하일수록 외부의 영향을 받기 쉽고 반대로 무거운 이웃 은하일수록 다른 은하에게 쉽게 영향을 주기 때문이다. 이런 결과들은 운동학적 상관성이 은하와 은하 사이의 직접적인 상호작용에서 기원한 것임을 뒷받침한다.


□ 연구진은 우선 3차원 분광 관측* 자료를 통해 정확한 회전 방향을 측정할 수 있는 400여 개 은하들을 분석했다. 3차원 분광 관측은 은하의 스펙트럼을 공간적으로 잘게 쪼개어 분석할 수 있게 해주는 최신 관측 기법이다. 이렇게 분석된 은하들의 회전축을 나란히 정렬하여 주변에 위치한 이웃 은하들의 운동방향 분포를 모두 겹쳐보았다. 그 결과, 관찰자인 우리에게서 멀어지고 있는 운동과 가까워지고 있는 운동을 구분해 은하의 회전 방향이 이웃 은하의 평균적인 운동 방향과 뚜렷한 상관성을 보인다는 사실을 알아냈다.

    * 3차원 분광 탐사관측 : 분광 관측이란 천체에서 나오는 빛의 스펙트럼을 관측해 천체의 구성성분을 조사하는 방법이다. 기존의 분광 관측이 하늘의 한 지점에서 빛을 받았다면, 최근에 개발된 3차원 분광 관측기기를 이용하면 하늘의 특정 2차원 면에 걸쳐서 스펙트럼을 얻을 수 있다. 즉 x, y 그리고 파장 3차원을 가진 데이터를 얻을 수 있다. 


□ 이번 연구에 사용한 관측 자료는 칼리파(CALIFA, Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey) 데이터로, 이는 독일과 스페인이 공동 운영하는 칼라 알토 천문대(Calar Alto Observatory)에서 공개 제공하는 3차원 분광 탐사관측 자료이다. 


□ 은하들 간의 상호작용은 회전과 같은 운동성 외에도 많은 흔적을 남긴다. 은하를 구성하는 별들의 나이 분포를 바꿔놓기도 하고 은하의 전체적인 형태가 크게 바뀌기도 한다. 그러나 이러한 성질들은 오랜 시간이 지나면서 다시 변하게 된다. 상호작용으로 인해 새로운 젊은 별들이 탄생하더라도 시간이 지나면 그 별들은 결국 늙어가게 된다. 은하의 형태 또한 상호작용 직후 다소 복잡해지지만, 많은 시간이 흐르면 더 무디고 단순한 모양으로 변하게 된다.


□ 이에 비해 어떤 물체가 회전하는 정도를 나타내는 각운동량은, 에너지와 같이 본질적으로 보존되는 물리량이다. 일단 외부의 영향을 받아 각운동량의 변화가 발생하면 다시 추가적인 외부 영향이 있기 전까지 그 계(system)가 가진 각운동량은 아무리 긴 시간이 흘러도 그대로 유지된다. 이 때문에 은하의 운동학적 특성을 이해하고 기원을 추적하는 것이 은하의 진화 과정을 규명하는 중요한 단서가 된다.


□ 연구진은 이러한 운동학적 연구를 더욱 확장하기 위해, 오스트레일리아 천문대에서 최대 3만여 개 은하들을 대상으로 진행하고 있는 차세대 대규모 3차원 분광 탐사관측 프로젝트인‘헥터(Hector)’ 참여를 추진 중이다. 


□ 이번 연구를 이끈 한국천문연구원 광학천문본부 이준협 박사는 “지금까지는 은하가 놓여있는 다양한 환경에 따라 은하가 얼마나 빠르게 회전하는지에 초점을 둔 연구들이 많았고, 은하의 회전축과 회전 방향을 결정하는 요인에 관한 연구는 최근에서야 주목받는 연구 주제”라며 “은하의 회전 방향이 이웃 은하의 운동 방향에 영향을 받을 수 있다는 점에 착안해 새로운 연구 성과를 내놓을 수 있었다”라고 말했다. 


□ 이번 연구 논문은 천문학 분야 최상위급 학술지인 미국 천체물리학저널 (The Astrophysical Journal) 2월 10일자에 실렸다. 



대표적인 충돌 은하인 부자은하, M51의 모습

그림 1. 대표적인 충돌 은하인 부자은하, M51의 모습.  M51의 나선팔 끝에 동반 은하인 NGC 5195가 있다. NGC 5195는 M51을 스쳐 지나가면서 서로의 인력으로 팔이 연결되었다. 이처럼 이웃 은하들은 때로 가까운 거리를 스쳐 지나가며 상호작용을 주고받기도 하는데, 그러한 상호작용이 은하의 회전에 직접적인 영향을 미친다는 관측 증거를 이번에 최초로 발견했다. (사진 출처: CAHA, Descubre, DSA, OAUV)



은하의 회전과 이웃 은하 운동의 상관관계 분석 결과 요약

그림 2. 은하의 회전과 이웃 은하 운동의 상관관계 분석 결과 요약.

빨간 박스 속 그림은 한 은하의 회전 방향을 보여준다. 빨간 부분은 관찰자인 우리로부터 뒤로 멀어지는 운동을 의미하고 파란 부분은 우리에게 가까이 다가오고 있는 운동을 뜻한다. 그 위에 겹쳐 그려진 것은 한 은하 내부의 밝기 분포를 등고선 형태로 나타낸 등광도 곡선이다.

이렇게 400여 개의 은하 회전축을 나란히 정렬한 뒤 그 좌우에 분포하는 이웃 은하들의 운동을 누적해서 나타낸 것이 (X자로 분할된) 큰 검은색 박스 속 그림이다. 각각의 동그라미가 하나의 이웃 은하이며, 동그라미가 클수록 밝고 무거운 은하를 나타낸다. 빨간색이 짙을수록 우리에게서 빠르게 멀어지고 파란색이 짙을수록 우리에게 빠르게 다가온다. 평균적으로 오른쪽 이웃 은하들이 멀어지고 왼쪽 이웃 은하들이 가까워진다면 중심에 정렬한 400여개 은하들의 회전 방향과 이웃 은하들의 평균 운동 방향이 일치한다고 말할 수 있다. (단, 어디까지나 평균적 움직임을 말하는 것이므로 개별적으로는 그 흐름에서 벗어나는 이웃들도 다수 존재할 수 있다.)

아래쪽 그래프는 좌우 거리에 따른 이웃 은하들의 누적 평균 속도 분포를 보여준다. 양의 값은 우리에게서 멀어지는 속도, 음의 값은 우리에게 다가오는 속도를 의미한다. 왼쪽 이웃 은하들은 평균적으로 다가오고 오른쪽 이웃 은하들은 평균적으로 멀어짐을 확인할 수 있다. 



[참고 ] 용어 설명


3차원 분광 관측

: 분광 관측이란 천체에서 나오는 빛의 스펙트럼을 관측해 천체의 구성성분을 조사하는 방법이다. 기존의 분광 관측이 하늘의 한 지점에서 빛을 받았다면, 최근에 개발된 3차원 분광 관측기기를 이용하면 하늘의 특정 2차원 면에 걸쳐서 스펙트럼을 얻을 수 있다. 즉 x, y 그리고 파장(wavelength) 3차원을 가진 데이터(date cube)를 얻을 수 있다. 

21세기 천문학은 ‘3차원 분광 관측’이라는 새로운 관측기술을 통해 은하의 회전과 같은 운동학적 성질 및 은하의 각 부분별 별빛의 특성을 측정하고, 그로부터 은하 진화의 비밀을 규명할 단서를 얻고 있다. 지난 10여 년간 3차원 분광 관측 연구는 세계 천문학계의 핵심 트렌드로 자리 잡아 왔다. 칼리파* 외에도 다양한 3차원 분광 탐사관측이 이루어졌고, 그 결과물을 이용한 은하 운동학 연구도 다수 수행되었다. 

  * 칼리파(CALIFA, Calar Alto Legacy Integral Field Area Survey)

  : 독일과 스페인이 공동 운영하는 칼라 알토 천문대(Calar Alto Observatory)에서 공개 제공하는 3차원 분광 탐사관측 자료. 

    http://califa.caha.es/


각운동량

: 어떤 물체가 회전하면서 갖게 되는 에너지를 나타내는 물리량이다. 물체를 구성하는 물질들이 회전의 중심점으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 얼마나 무거운지, 얼마나 빠르게 움직이는지에 따라 결정된다. 외부의 영향을 받지 않는 고립된 계(system)에서 각운동량은 보존되는 물리량이며, 이러한 성질을 이용하는 대표적인 발명품으로는 언제 어디서나 항상 일정한 방향만을 가리키도록 고안된 자이로스코프가 있다.



[참고 ]  연구팀 및 논문


○ 연구팀 (저자순위 순)

- 이준협 (한국천문연구원 은하진화그룹 선임연구원) 

- 박민아 (과학기술연합대학원대학교 박사과정)

- 이혜란 (과학기술연합대학원대학교 박사과정)

- 송현미 (한국천문연구원 은하진화그룹 박사후연구원)


○ 논문

- 제목: Galaxy Rotation Coherent with the Motions of Neighbors: Discovery of Observational Evidence

- 게재지 : The Astrophysical Journal, vol. 872, 78



[문의]

☎ 042-865-2119, 광학천문본부 은하진화그룹 이준협 박사





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