우주에서 가장 오래된 은하를 찾는 것

빅뱅의 불 덩어리가 넓어지고 식었을 때, 그것은 마침내 보이지 않는 것으로 희미 해지 기 전에 흰색에서 체리 레드로 갔다. 우주는 흑암으로 뛰어 들었고 그로 인한 우주 어두운 시대는 가깝게 뻗어있었습니다. 시간이 지남에 따라 우주는 크기가 두 배로 증가하고 다시 한 번 더 두 배가되었고, 어느 날, 어느 날 특별한 일이 일어났습니다. 암흑 시대가 끝났다. 우주의 전체 길이와 폭을 가로 질러 스타는 크리스마스 트리의 조명처럼 켜지기 시작했습니다.

첫 번째 별은 중력 아래에 모여 첫 번째 은하를 만들거나 실제로 첫 은하를 구성하는 가스와 먼지 구름에서 태어났습니다. 그리고이 첫 번째 은하를 찾는 사냥은 뜨거워지고 있습니다. 재 이온화 렌즈 클러스터 설문 조사 (유물)는 우주 역사의 첫 10 억 년 동안 존재했던 약 300 개의 은하를 발견했습니다. 특히 한 은하는 너무 나이가 너무 오래되어 현재의 우주가 현재 1382 억 년의 3 %에 불과했습니다. 이러한 물체는 천문학 자의 망원경에 끈기있는 후 이미지와 같은 빛나는 천문대에 나타납니다. 그들의 빛은 수십억 년 동안 우주를 가로 질러 우리에게 도달하기 전에 우주를 가로 질러 여행했습니다.

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시간이되면

많은 국가에서 40 명 이상의 천문학자가 유물 프로젝트에 참여하여 허블 우주 망원경과 스피처 우주 망원경에서 수백 시간의 시간을 관찰했습니다. 그러나 주요 관찰 도구는 우주 자체입니다. 우주를 푸는 은하의 거대한 은하계의 중력장은 다른 수단에서 볼 수없는 더 희미한 먼 은하의 빛을 초점을 맞추고 확대하는 거대한 렌즈처럼 작용합니다. 볼티모어 우주 망원경 과학 연구소의 유물 수사관 인 Dan Coe는“우리는 자연의 망원경을 활용합니다.

가장 오래된 은하를 발견하는 데 도움이되는 유용한 렌즈 클러스터를 찾으려면 Coe는 Hubble의 이미지 아카이브와 유럽 우주국 (ESA)의 플랑크 위성이 관찰 한 약 1,000 개의 은하 클러스터의 카탈로그를 통해 검색했습니다. Planck의 주요 목적은 빅뱅 불 덩어리 자체의 '애프터 글로우 (alfglow)'인 우주 배경 방사선을 이미지화하는 것이었지만, 픽업 한 '원래의 뇌파'빛은 은하계 클러스터의 따뜻한 먼지에서 비롯됩니다. Coe는“우리는 41 개의 거대한 갤럭시 클러스터로 끝났습니다. "우리는 극단적 인 질량으로 그들을 선택하여 엄청나게 강력한 중력 렌즈를 만듭니다."

각 클러스터의 바로 인근에는 문자 그대로 먼 은하의 수천 개의 유령 이미지가 우연히 클러스터에 의해 '중력으로 렌즈'되었습니다. 그러나 대부분은 멀리 떨어져 있지 않아서 초기 우주에 있지 않은 은하입니다. Coe는“진정으로 고대 대상을 찾는 속임수는 허블과 스피처 이미지의 적외선 이미지로 나타나는 렌즈 은하를 찾는 것입니다. 그러나 이것이 왜 매우 풍부하고 초가적 인 은하를 드러내는 이유를 이해하려면, 우리는 '적색 편이'라는 개념을 살펴 봐야합니다.

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우주가 어렸을 때 더 작았습니다. 유물에서 가장 먼 은하계는 우주가 현재 크기의 1 천분보다 작은 130 억 년 전에 존재했습니다. 그 시간이 지남에 따라 공간이 넓어지면서 그 은하에서 빛을 뻗었습니다. 붉은 빛은 푸른 빛보다 파장이 길기 때문에 그러한 은하의 빛은 스펙트럼의 빨간 끝으로 이동하거나 '붉은 편이'입니다.

가장 초기의 은하의 빛은 너무 심하게 붉게 갈라서 눈에 보이는 빛이 이제 스펙트럼의 빨간 끝 너머의 파장에서 '적외선'으로 나타납니다. 따라서 은하는 설문 조사를 위해 Hubble의 고급 카메라에 보이지 않는 독특한 특성을 가지고 있지만 적외선에 민감한 Hubble의 넓은 필드 카메라 3에 보입니다. Spitzer의 적외선 이미징 기기는 또한 은하가 매우 높은 적색 편이인지 또는 먼지 또는 노년기로 인해 덜 먼 거리에 있는지 여부를 결정하는 데 중요합니다.

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은하계 클러스터로 형성된 중력 렌즈는 밤하늘의 작은 지역에 축소되므로 그러한 지역은 먼 우주의 모든 은하보다 빈 공간을 포함 할 가능성이 높습니다. 그러나 초기 우주의 은하는 훨씬 작고 훨씬 더 많았으므로 실제로 주어진 중력 렌즈의 시야에 나타날 가능성이 높습니다. 이것은 유물이 왜 소수의 은하를 발견하지 못했지만 약 300 명을 발견 한 이유를 설명합니다.이 날짜는 우주의 첫 10 억 년으로 거슬러 올라가고 그 시대에서 관찰 된 가장 밝은 것들을 포함합니다.

300 개 은하 중에는 다소 상상력이 없을 정도로 SPT0615-JD가 있습니다. 그것은 10의 적색 편이를 가지고 있는데, 이는 관찰 가능한 우주가 현재 직경의 10 분의 1 미만이고 약 4 억 년에 불과할 때 존재한다는 것을 의미합니다 (이전 설문 조사에서 발견 된 현재의 기록 보유 갤럭시는 실제로 적색 편이가 11입니다). 렌즈 효과는 은하를 연장 된 '아크'로 왜곡했으며 COE는 세부 사항을 식별하기 위해 추가 관찰이 필요하다고 말합니다. 그럼에도 불구하고, SPT0615-JD는 오늘날의 은하와는 상당히 다르다는 것은 이미 분명합니다. 은하수의 직경의 20 분의 1에 불과하며 질량의 10 분의 1 미만이며 규칙적인 것은 없습니다. 실제로 Coe와 그의 동료들은 그것을 '번지'라고합니다. 다른 300-odd 은하는 비슷하게 작습니다.

우리가 타임머신을 가지고 있고 10의 적색 편이로 돌아갈 수 있다면, 우리는 다른 우주에서 자신을 찾을 것입니다. 오늘날의 '자이언트 타원'및 '나선'과 같은 구조가있는 은하는 없습니다. 그들의 대신 우리는 은하수의 직경의 100 분의 1보다 작고 무질서한 얼룩을 보게 될 것입니다. 이러한 은하들은 오늘날 우주의 은하보다 수백 또는 수천 배 더 빠른 사나운 속도로 별 형성을 겪을 것입니다. 이에 대한 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 별의 원료 인 가스는 풍부했습니다. 둘째, 10의 붉은 편이의 은하는 오늘날의 은하보다 수천 배 더 많았고 훨씬 더 가까워서 자주 충돌과 합병을 일으켜 별 형성의 강렬한 시합을 유발했습니다.

합병이 초기 우주의 지배적 인 특징이라는 사실은 당시의 은하에 대해 중요한 것을 말해 줄 수 있습니다. Coe는“아마도 우리는 오늘날 은하의 빌딩 블록을보고있을 것입니다. “시간이 지남에 따라,이 고대 은하들은 계속해서 충돌하고 병합 될 예정입니다. 사실, 우리의 은하수는 현재 크기에 도달하기 위해 수천 개의 그러한 합병을 겪었을 수 있습니다.”

Coe에 따르면, 우리는 아직 첫 번째 은하를 보지 못했습니다. 우리가 발견 한 가장 빠른 은하조차도 삶의 끝에있는 오래되고 밝은 빨간 별들이 포함되어 있기 때문입니다. 최초의 은하는 빅뱅 이후 2 억 2 천만 년 만에 형성 될 수있었습니다. Coe는 이들을 찾는 가장 좋은 희망은 2021 년에 출시 될 예정인 Hubble의 후속 인 James Webb Space 망원경을 사용하는 것이라고 말했다. Lagrange 포인트는 태양과 지구의 중력이 위성의 궤도 운동의 균형을 유지하는 공간의 영역입니다. 이 점들 중 하나에 우주선을 배치하면 방향을 바꾸는 데 필요한 최소한의 에너지로 지구와 태양에 비해 고정 된 위치에 머무를 수 있습니다.

더 깊은 파기

James Webb는 원거리 제외 조명에 민감 할 것이므로 초고록 붉은 편이에서 은하를 감지 할 수 있습니다. 희망은 제임스 웹이 초기 우주의 공간 전체에 떠 다니는 가스의 특성을 근본적으로 변화시킨 주요 사건 인 '우주 재 이온화'에 대해 밝히기를 희망합니다. 빅뱅 후 약 380,000 년 후, 불 덩어리는 전자가 수소 및 헬륨 핵과 결합하여 우주의 첫 번째 원자를 형성하기에 충분히 냉각되었습니다. 그러나 미스터리가 있습니다. 오늘날 천문학자가 우주에 떠있는 수소 가스를 관찰 할 때 전자가 폭발했음을 발견했습니다. 우주를 다시 이온화 할 수있는 유일한 것은 고 에너지 자외선입니다. 그래서 어디에서 왔습니까?

Planck 관찰에 따르면 재 이온화는 약 9의 적색 편이에서 시작되었음을 나타냅니다. 한 가지 가능성은 책임있는 자외선이 첫 번째 별에서 나왔을 것이며, 이는 우주가 탄생 한 지 1 억 년 만에 불과한 후 1 억 년이 지났을 것입니다. 또 다른 가능성은 자외선이 초대형 블랙홀에 소용돌이 치면서 백열로 가열 된 물질에서 나왔을 것입니다. 이것들은 신생아 은하의 마음에 형성되어 슈퍼 브라이트 퀘이사로 빛납니다. Coe는 여러 출처가 우주를 다시 이온화했을 가능성이 있다고 생각합니다. "아마도 별들은 대부분의 재 이온화와 퀘이사에 책임이있을 것"이라고 그는 말합니다. "그리고 또 다른 출처가있을 수도 있습니다. 아마도 암흑 물질의 입자의 소멸, 별과 은하를 6 배로 끌어 올리는 것으로 알려진 신비한 보이지 않는 것들."

그러나 희망은 제임스 웹이 더 많은 대답을 도울 것이라는 희망입니다. 첫 번째 별이 언제 형성 되었습니까? 이러한 인구 III 별은 알려진 바와 같이, 빅뱅의 수소와 헬륨 만 함유했을 것이지만 산소와 칼슘 및 철과 같은 더 무거운 원소는 별 내부의 핵 반응에 의해서만 만들 수 없다. 아무도 아직 인구 III 스타를 발견 한 사람은 아무도 없으며, 오늘날의 별보다 훨씬 더 거대했을 것으로 예상되고 수백만 년 만에 불과 몇 백만 년 만에 그들의 삶을 살아남 았을 것으로 예상됩니다.

허블 (Hubble)은 이미 무정형 얼룩에서 질서 구조로 전환하는 은하를 발견했으며, 은하수의 큰 나선처럼 회전했지만 제임스 웹은 그러한 순서 회전을 나타내는 가장 초기의 은하를 발견 할 수 있습니다. 실제로 COE와 그의 팀이 칠레의 Atacama 대형 밀리미터 어레이를 사용하여 후속 관찰을 통해이를 결정할 수있을 가능성이 있습니다. 고대 은하계에서 산소로부터 방출을 감지 할 수 있다면, 은하에 걸친 방출 빈도의 차이로 인해 일부 부분이 우리를 향해 나아가고 일부는 체계적인 방식으로 멀리 떨어져 있는지 여부를 밝힐 수 있습니다. 이러한 도플러 효과는 은하 회전의 흡연 총입니다.

제임스 웹은 첫 번째 은하가 언제 형성되었는지와 같은 다른 질문을 해결할 수 있습니까? 그들은 어떻게 생겼습니까? 그들은 은하계와 같은 은하의 빌딩 블록입니까? Coe는“우리는 134 억 년 동안 은하 진화를 관찰했습니다. 이는 처음으로 돌아가는 97 %입니다. "누락 된 3 %를 보게되어 가장 기쁩니다 - 마지막으로 남은 직소 조각입니다."

• 이 기사는 BBC Science Focus 에 처음 출판되었습니다 2019 년 3 월 - 구독

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