균일한 은하 회전 곡선, 천문학자들도 놀라
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-06-25 11:56:45
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- 먼 은하의 바깥쪽 가장자리는 별과 가스가 부족해 관찰하기 어렵다
- 은하 배경에 대한 중력 렌즈 효과를 관찰, 320만 광년까지의 회전 속도를 측정할 수 있다.
- 은하 질량의 중력 효과는 모델이 예측한 것과 다르게 작동
- 별 원반의 회전 속도는 외부 영역에서도 감소하지 않고 거의 동일하게 유지
거의 모든 은하계는 자신을 중심으로 회전하여 구조에 필요한 안정성을 제공한다. 은하의 회전 속도와 이 속도가 디스크 내에서 어떻게 분포되는지는 무엇보다도 은하의 질량과 암흑 물질의 비율에 따라 달라진다. 은하가 더 크고 무거울수록 회전 속도가 빨라진다. 이 연결은 툴리-피셔(Tully-Fischer) 관계로 설명된다. 이에 따라서 외부 가장자리의 궤도 주기는 거의 모든 은하에서 동일하다(약 10억 년).
은하 헤일로에 암흑 물질이 존재하면 회전 곡선에 뚜렷한 특징이 생긴다. 내부에서 외부로의 회전 속도는 처음에는 거의 동일하게 유지되지만 외부로 갈수록 점차 감소한다.
측정 보조 수단으로서의 중력 효과
회전 곡선의 평평한 부분은 얼마나 확장될까? 그리고 그 후 감소폭은 얼마나 뚜렷할까? 먼 은하의 바깥쪽 가장자리는 별과 가스가 부족해 관찰하기 어렵다. 이 때문에 지금까지 불분명한 상태로 남아 있다. 이것이 클리블랜드의 Caste Western Reserve University의 Tobias Mistele과 그의 동료들이 이제 "트릭"을 사용한 이유다. 그들은 은하 배경에 대한 중력 렌즈 효과를 관찰했다.
전경 은하의 중력은 영향권을 통해 빛나는 빛을 왜곡한다. 왜곡의 정도와 모양을 통해 천문학자들은 특정 방정식을 사용하여 렌즈를 제공하는 은하가 얼마나 크고 무거운지, 그리고 회전 속도도 결정할 수 있다. “약한 중력 렌즈 데이터는 원형 속도 곡선을 10배 이상 확장한다”고 팀은 설명했다. "이를 통해 우리는 320만 광년까지의 회전 속도를 측정할 수 있다.”
외부 영역에서 가라앉지 않음
측정 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. “은하의 회전 곡선은 이 거리까지 평평하게 유지되며 명확한 가라앉는 징후는 없다”고 Mistele과 그의 동료들이 보고했다. "이 놀라운 행동은 젊은 은하와 오래된 은하 모두의 모든 질량 범위에서 관찰될 수 있다. 거의 14,000개의 중력 렌즈 은하의 두 번째 목록에서도 비슷한 것이 발견되었다." 이 경우에도 일반 모델이 예상하는 것보다 회전 속도가 바깥쪽으로 덜 감소했다.
동시에 측정값은 계속해서 Tully-Fischer 관계를 따랐다. 연구원들에 따르면, 이는 회전 곡선의 놀라운 "평탄도"가 측정 방법으로 인한 왜곡 때문이 아니라는 것을 시사한다. “우리는 관계가 유효하다는 것을 알고 있었다. 그러나 이것이 은하의 바깥쪽 가장자리에도 적용되는지, 그리고 그것이 얼마나 멀리 확장되어 있는지는 확실하지 않다”고 Mistele은 말했다.
“공통모델에 대한 도전”
은하 회전 곡선의 예상치 못한 평탄함을 어떻게 설명할 수 있을까? 일반적으로 은하 외곽 지역에서는 질량이 적기 때문에 속도가 감소해야 한다. 은하 내부 영역의 암흑 물질과 별의 중력 영향도 외부로 갈수록 감소한다. “따라서 우리의 결과는 일반적인 모델에 대한 도전이다”고 Mistele은 설명했다. Navarro-Frenk-White 프로파일(NFW)을 포함한 이것들은 은하계의 암흑 물질 밀도가 외부로 갈수록 어떻게 감소하는지 비교적 정확하게 설명한다.
Mistele의 동료 Stacy McGaugh는 "새로운 관찰의 의미는 광범위하다"고 말했다. 너무 평평한 회전 곡선을 설명하려면 암흑 물질 후광이 예상보다 훨씬 더 확장되어야 하므로 Navarro-Frenk-White 프로파일과 모순된다. 또는 은하 질량의 중력 효과는 모델이 예측한 것과 다르게 작동한다.
McGaugh는 “이 결과는 암흑 물질에 대한 우리의 생각을 재정의할 뿐만 아니라 현대 천체 물리학의 기초에 도전할 수도 있다”고 말했다. 은하의 예상되는 회전 거동은 차가운 암흑 물질의 우주론적 모델(ΛCDM)에서 파생됐다. 이에 따르면 은하 헤일로의 바깥 가장자리에 있는 암흑물질의 밀도는 반지름에 대해 특정 비율로 감소해야 한다. 그러나 새로운 측정에 따르면 이는 사실이 아니다.
은하수에도 불일치가 존재한다.
또한 흥미로운 점은 최근에야 천문학자들이 처음으로 은하수의 회전 프로파일을 외부 영역까지 결정했으며 불일치도 발견했다는 것이다. Mistele과 팀이 은하에서 발견한 것과 유사하게, 우리 고향 은하의 회전 속도도 예기치 않게 바깥쪽으로 높다. 그러나 은하수 중심으로부터 약 65,000광년 떨어진 곳에서 별들은 갑자기 모델이 예측한 것보다 더 느리게 공전한다.
두 경우 모두 천문학자들은 측정 결과가 모델과 다른 이유를 아직 설명하지 못했다. Mistele은 “이는 이 질문에 대한 추가 연구가 필요하다는 점을 강조한다”고 말했다.
(The Astrophysical Journal Letters, accepted; doi: 10.3847/2041-8213/ad54b0)
출처: Case Western Reserve University
- 먼 은하의 바깥쪽 가장자리는 별과 가스가 부족해 관찰하기 어렵다
- 은하 배경에 대한 중력 렌즈 효과를 관찰, 320만 광년까지의 회전 속도를 측정할 수 있다.
- 은하 질량의 중력 효과는 모델이 예측한 것과 다르게 작동
- 별 원반의 회전 속도는 외부 영역에서도 감소하지 않고 거의 동일하게 유지
은하 회전, 천문학자들도 놀라
측정 결과, 외부 영역에서도 예상치 못하게 균일한 회전 곡선이 나타났다.
이상한 불일치:
멀리 있는 은하의 회전이 일반적인 기대와 일치하지 않는다. 새로운 천문학적 측정 결과에 따르면 이 별 원반의 회전 속도는 외부 영역에서도 감소하지 않고 거의 동일하게 유지된다. 이것은 천문학자들이 보고한 것처럼 은하계의 일반적인 모델과 모순되며 암흑 물질의 불일치를 나타낼 수 있다. 우리의 우주론적 모델이 틀렸다고 생각할 수도 있다.
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| ▲ 모든 은하계는 특정 속도로 회전한다. 그러나 회전 프로필이 모델과 일치하지 않는다. pixabay |
거의 모든 은하계는 자신을 중심으로 회전하여 구조에 필요한 안정성을 제공한다. 은하의 회전 속도와 이 속도가 디스크 내에서 어떻게 분포되는지는 무엇보다도 은하의 질량과 암흑 물질의 비율에 따라 달라진다. 은하가 더 크고 무거울수록 회전 속도가 빨라진다. 이 연결은 툴리-피셔(Tully-Fischer) 관계로 설명된다. 이에 따라서 외부 가장자리의 궤도 주기는 거의 모든 은하에서 동일하다(약 10억 년).
은하 헤일로에 암흑 물질이 존재하면 회전 곡선에 뚜렷한 특징이 생긴다. 내부에서 외부로의 회전 속도는 처음에는 거의 동일하게 유지되지만 외부로 갈수록 점차 감소한다.
측정 보조 수단으로서의 중력 효과
회전 곡선의 평평한 부분은 얼마나 확장될까? 그리고 그 후 감소폭은 얼마나 뚜렷할까? 먼 은하의 바깥쪽 가장자리는 별과 가스가 부족해 관찰하기 어렵다. 이 때문에 지금까지 불분명한 상태로 남아 있다. 이것이 클리블랜드의 Caste Western Reserve University의 Tobias Mistele과 그의 동료들이 이제 "트릭"을 사용한 이유다. 그들은 은하 배경에 대한 중력 렌즈 효과를 관찰했다.
전경 은하의 중력은 영향권을 통해 빛나는 빛을 왜곡한다. 왜곡의 정도와 모양을 통해 천문학자들은 특정 방정식을 사용하여 렌즈를 제공하는 은하가 얼마나 크고 무거운지, 그리고 회전 속도도 결정할 수 있다. “약한 중력 렌즈 데이터는 원형 속도 곡선을 10배 이상 확장한다”고 팀은 설명했다. "이를 통해 우리는 320만 광년까지의 회전 속도를 측정할 수 있다.”
외부 영역에서 가라앉지 않음
측정 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. “은하의 회전 곡선은 이 거리까지 평평하게 유지되며 명확한 가라앉는 징후는 없다”고 Mistele과 그의 동료들이 보고했다. "이 놀라운 행동은 젊은 은하와 오래된 은하 모두의 모든 질량 범위에서 관찰될 수 있다. 거의 14,000개의 중력 렌즈 은하의 두 번째 목록에서도 비슷한 것이 발견되었다." 이 경우에도 일반 모델이 예상하는 것보다 회전 속도가 바깥쪽으로 덜 감소했다.
동시에 측정값은 계속해서 Tully-Fischer 관계를 따랐다. 연구원들에 따르면, 이는 회전 곡선의 놀라운 "평탄도"가 측정 방법으로 인한 왜곡 때문이 아니라는 것을 시사한다. “우리는 관계가 유효하다는 것을 알고 있었다. 그러나 이것이 은하의 바깥쪽 가장자리에도 적용되는지, 그리고 그것이 얼마나 멀리 확장되어 있는지는 확실하지 않다”고 Mistele은 말했다.
“공통모델에 대한 도전”
은하 회전 곡선의 예상치 못한 평탄함을 어떻게 설명할 수 있을까? 일반적으로 은하 외곽 지역에서는 질량이 적기 때문에 속도가 감소해야 한다. 은하 내부 영역의 암흑 물질과 별의 중력 영향도 외부로 갈수록 감소한다. “따라서 우리의 결과는 일반적인 모델에 대한 도전이다”고 Mistele은 설명했다. Navarro-Frenk-White 프로파일(NFW)을 포함한 이것들은 은하계의 암흑 물질 밀도가 외부로 갈수록 어떻게 감소하는지 비교적 정확하게 설명한다.
Mistele의 동료 Stacy McGaugh는 "새로운 관찰의 의미는 광범위하다"고 말했다. 너무 평평한 회전 곡선을 설명하려면 암흑 물질 후광이 예상보다 훨씬 더 확장되어야 하므로 Navarro-Frenk-White 프로파일과 모순된다. 또는 은하 질량의 중력 효과는 모델이 예측한 것과 다르게 작동한다.
McGaugh는 “이 결과는 암흑 물질에 대한 우리의 생각을 재정의할 뿐만 아니라 현대 천체 물리학의 기초에 도전할 수도 있다”고 말했다. 은하의 예상되는 회전 거동은 차가운 암흑 물질의 우주론적 모델(ΛCDM)에서 파생됐다. 이에 따르면 은하 헤일로의 바깥 가장자리에 있는 암흑물질의 밀도는 반지름에 대해 특정 비율로 감소해야 한다. 그러나 새로운 측정에 따르면 이는 사실이 아니다.
은하수에도 불일치가 존재한다.
또한 흥미로운 점은 최근에야 천문학자들이 처음으로 은하수의 회전 프로파일을 외부 영역까지 결정했으며 불일치도 발견했다는 것이다. Mistele과 팀이 은하에서 발견한 것과 유사하게, 우리 고향 은하의 회전 속도도 예기치 않게 바깥쪽으로 높다. 그러나 은하수 중심으로부터 약 65,000광년 떨어진 곳에서 별들은 갑자기 모델이 예측한 것보다 더 느리게 공전한다.
두 경우 모두 천문학자들은 측정 결과가 모델과 다른 이유를 아직 설명하지 못했다. Mistele은 “이는 이 질문에 대한 추가 연구가 필요하다는 점을 강조한다”고 말했다.
(The Astrophysical Journal Letters, accepted; doi: 10.3847/2041-8213/ad54b0)
출처: Case Western Reserve University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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