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지난 4월, 아미나 헬미는 네덜란드 북부에서 직장으로 운전을 하는 동안 소름이 돋는 것을 느꼈습니다. 그것은 날씨와는 아무 상관이 없었습니다. 순전히 예상한 것이었습니다. 불과 며칠 전, 5년 동안 은하수 지도를 작성해온 유럽우주국(ESA)의 임무인 가이아에서 수많은 데이터가 공개가 있었습니다. 흐로닝언 대학 천문학자와 그녀의 팀은 다른 사람들이 먼저 은하계에 도착하기 전에 은하계에 대한 통찰력을 얻기 위해 데이터를 샅샅이 뒤지고 있었습니다.
흥분으로 인해 잠을 잘 수 없는 빠른 전진을 위해 노력하면서, Helmi와 그녀의 동료들은 그들이 무언가를 알고 있다는 것을 감지했습니다. 그 팀은 30,000개의 배신자 별들의 세트를 발견했습니다. 상대적으로 평평한 원반 모양으로 궤도를 도는 은하계 본체의 다른 물체들과는 달리, 이 비적합자들은 은하계 평면에서 그것들을 운반하는 궤도에서 뒤로 움직이고 있었습니다.
몇 주 안에, 그 팀은 이 빛나는 무리가 은하계 역사에서 오랫동안 숨겨져 있고 특히 떠들썩한 한 장을 가리키고 있다는 것을 알아냈습니다: 젊은 은하계와 거대한 동반자 사이의 충돌 1. 그 짐승은 한때 별 주위를 행성처럼 돌고 있었는데, 80억에서 110억 년 전에 두 개가 충돌하면서 은하 원반이 크게 변했고 별들이 멀리 흩어졌습니다. 이것은 오늘날 볼 수 있는 익숙한 나선형 모양을 취하기 전에 은하가 경험한 마지막으로 알려진 큰 충돌입니다.
비록 그 고대의 충돌의 신호가 수십억 년 동안 육안으로 보이지 않는 곳에 숨어 있었지만, 천문학자들은 마침내 가이아의 데이터 세트를 통해서만 그것을 감지할 수 있었습니다. "우리 은하의 역사에서 그렇게 중요한 이정표를 발견할 수 있었다는 것이 정말 놀랍습니다," 라고 헬미가 말합니다.
가이아 덕분에 이러한 기념비적인 발견은 거의 일상화되고 있습니다. 그 임무는 밝기, 온도, 나이, 위치 및 속도를 차트화하여 10억 개 이상의 지역별을 목록화하는 것을 목표로 합니다. 천문학자들에게 특히 시사하는 것은 마지막 두 가지 특성입니다. 가이아 이전에 과학자들은 고유 운동 또는 하늘을 가로지르는 별의 움직임으로 알려진 것뿐만 아니라 많은 별까지의 거리에 대한 고정밀 측정이 부족했습니다. 이 중요한 정보를 사용하여 연구원들은 Helmi와 그녀의 동료들이 그랬던 것처럼 공통의 역사를 가리키는 조정된 궤적으로 함께 여행하는 물체 그룹을 사냥할 수 있습니다. 항성 속도는 또한 천문학자들이 암흑 물질의 영향을 추적하는 데 도움을 줄 수 있는데, 이 물질은 은하 질량의 대부분을 구성하고 중력으로 별들의 경로를 휘게 하는 보이지 않고 여전히 신비로운 물질입니다.
가이아의 2018년 4월 데이터 공개 이후 수백 개의 논문이 발표되었습니다. 그들은 이전에 상상했던 것보다 훨씬 더 역동적이고 복잡한 은하수의 그림을 그립니다. 은하계는 과학자들에게 그림자 물질의 특성에 대한 더 나은 이해를 줄 수 있는 암흑 물질 덩어리의 힌트를 포함하여 놀라움으로 가득 차 있습니다. 영국 케임브리지 대학의 천문학자 바실리 벨로쿠로프는 초기의 발견은 이미 변혁적인 것이었다고 말합니다. 그러나 그것들은 단지 앞으로 일어날 일을 보여주는 것일 뿐입니다. "우리가 은하수를 보는 방법은 분명히 바뀌었습니다."
태양계는 은하 중심에서 약 8,000 파섹(26,000 광년) 떨어진 우리 은하의 외곽에 위치해 있으며, 오리온이라고 알려진 두 번째 나선팔에 위치해 있습니다. 천문학자들은 밤하늘을 가로지르는 거대한 별 띠를 보면서 이 횃대에서 은하의 구조를 파악해야 합니다. 20세기 중반까지, 그들은 우리 은하의 별들이 뱀 같은 별팔로 감싸이고 얇고 구형의 후광으로 둘러싸인 중앙 팽대부에 분포한다는 것을 결정하는 넓은 붓 그림을 그렸습니다. 1970년대와 1980년대에 연구원들은 암흑 물질, 가스, 먼지의 거대한 구름으로 시작하여 수십억 년에 걸쳐 이 구조가 어떻게 형성되었는지 추론했습니다. 눈에 보이는 구성 요소들은 원반 모양의 구조로 붕괴되었고, 그 후 더 작은 위성 은하들을 집어삼킴으로써 부피가 커졌습니다. 천문학자들은 나중에 전체 밤하늘을 반복적으로 촬영하기 위해 지상 망원경을 사용하여 세부 사항을 채웠습니다. 이러한 조사를 통해 과학자들은 별이 가득한 잔해 흐름으로 확장된 작은 은하의 잔해를 발견한 항성 후광과 같은 대규모 은하계 물체를 더 자세히 관찰할 수 있었습니다.
하지만 지상 조사는 천문학자들에게 우리 은하의 구조에 대한 많은 정보를 제공하는데, 주로 지구의 난기류 대기에서 흐릿해지는 것이 별까지의 거리를 얼마나 정확하게 결정할 수 있는지를 제한하기 때문입니다. 그리고 별들이 지구를 향해 또는 지구로부터 멀어지는 속도는 색깔의 변화로 측정될 수 있지만, 대부분의 물체들이 인간의 시간 척도로 하늘을 가로질러 거의 움직이지 않기 때문에 고유 운동과 그에 따른 완전한 3D 속도를 분류하는 것은 어렵습니다. 그 문제는 많은 별들 사이의 관계를 모호하게 만들었습니다. 즉, 그들의 움직임의 유사성으로 인해 드러날 수 있는 연결고리입니다. 약 7억 4천만 유로(8억 4천 4백만 달러)의 가이아 임무는 2000년에 승인되어 13년 후에 시작되었습니다. 지구보다 약간 더 멀리 태양을 공전하면서, 우주선은 궤도의 다른 위치에서 같은 별들을 찍습니다. 이것은 천문학자들이 항성 시차라고 알려진 양을 통해 거리를 측정할 수 있게 해줍니다. 즉, 원근법의 변화에 수반되는 하늘에 있는 물체의 겉보기 위치의 미세한 변화입니다. 1989년과 1993년 사이에 운영된 ESA의 히파르코스 위성은 유사한 시차 데이터를 수집했습니다. 하지만 가이아의 정확성은 궁극적으로 100배 더 클 것입니다. 그리고 그것의 민감성 덕분에, 그것은 은하를 더 깊이 조사할 수 있습니다: 그것이 관측하는 10억 개 이상의 별들 중 약 99%가 그들의 거리를 정확하게 측정한 적이 없습니다.
계산 집약적인 사업에서 가이아 연구원들은 망원경이 보는 다른 모든 별에 상대적인 모든 별의 위치에 대한 플롯을 구축했습니다. 이것은 그 팀이 별들이 하늘을 가로질러 얼마나 빨리 이동하는 것처럼 보이는지, 즉 그들의 고유한 움직임을 측정할 수 있게 해주었습니다. 그리고 나서, 별들의 색깔의 작은 변화를 측정함으로써, 천문학자들은 그 물체들이 얼마나 빨리 위성을 향해 또는 그것의 시선을 따라 멀어지고 있는지를 보여줄 수 있습니다. 두 측정값과 가이아에서 계산된 거리의 조합은 별들의 완전한 3D 운동을 제공합니다. 가이아는 그것이 보는 가장 밝은 별들의 시선 운동을 측정할 수 있지만, 지상 망원경은 나머지 별들을 측정하는 데 도움이 될 것입니다. 각각의 별이 어디에 있고 어디로 가는지 아는 것은 연구원들이 숨겨진 은하수의 역사를 빠르게 알아낼 수 있게 해줍니다.
헬미와 그녀의 동료들이 조사한 고대 충돌의 경우가 그러했습니다('우리 은하의 초기 형성 단계의 병합' 참조). 그들의 연구에서, 그들이 발견한 별들의 코호트가 공통의 기원을 공유한다는 증거는 뉴멕시코의 지상 기반 SDSS(Sloan Digital Sky Survey)의 데이터에 의해 강화되었는데, 이 데이터는 앙상블의 구성원 모두가 유사한 화학 성분을 가지고 있다는 것을 보여주었습니다. 그 팀은 별들의 집이었던 것으로 생각되는 왜소은하를 위해 가이아-엔셀라두스라는 이름을 선택했습니다. 엔셀라두스는 그리스 신화에 나오는 가이아의 후손인 거인이었습니다.
공교롭게도 벨로쿠로프와 그의 동료들은 2016년 가이아의 예비 데이터 공개 정보를 사용하여 충돌의 증거를 발견했습니다. 그 데이터들은 고유 운동 수치를 포함하지 않았지만, 그 데이터 세트의 별 위치와 약 10년 전에 찍은 SDSS 관측을 비교함으로써, 그 팀은 그 사이에 별들이 어떻게 움직였는지 알 수 있었습니다. 그들은 한 무리의 물체들이 결국 은하의 중심에서 외곽으로 이동할 수 있는 편심 궤도를 함께 여행하는 것을 알아챘습니다. 이것들은 하나의 대규모 충돌에서 비롯된 것으로 보이며, 금속 함량의 유사성 때문에 그들의 공유된 역사가 명백합니다. 표시된 속도가 소시지 모양을 형성했기 때문에, 그 팀은 한때 별들의 집이었던 고대 왜소은하를 가이아 소시지2라고 불렀습니다.
이중 명명은 공동체에 약간의 혼란을 초래했습니다. 하지만 범인이 뭐라고 불리든 간에, 고대의 합병은 은하수의 수수께끼를 푸는 단서가 될 수 있습니다. 은하의 원반은 두 개의 구성 요소로 이루어져 있습니다. 가스, 먼지, 어린 별들이 오레오의 충전재처럼 앉아 있는 얇은 내부 원반은 거의 전적으로 나이든 별들로 구성된 두꺼운 외부 원반 안에 있습니다. 천문학자들은 가스와 먼지가 응축되어 얇은 중심핵을 형성하면서 두꺼운 원반이 먼저 생겨났는지 아니면 그 구조가 얇은 원반으로 시작되어 부분적으로 부풀어 오른 것인지에 대해 논쟁해왔습니다. 가이아-엔셀라두스-소시지는 충돌 당시 은하계 크기의 상당한 부분이었기 때문에, 은하계 원반에 많은 에너지를 축적하여 가열하고 팽창시켰을 것입니다. 헬미의 그룹은 이것을 부풀리기 시나리오에 유리한 표시이자 은하수에 대한 극적인 왜곡의 증거로 보고 있습니다.
가이아 데이터를 사용하여 이전에 어려운 통찰력을 얻을 수 있는 속도는 연구자들을 놀라게 했습니다. 뉴욕시에 있는 컬럼비아 대학의 천문학자 캐서린 존스턴은 태양 근처에 있는 약 6백만 개의 별들의 움직임이 달팽이 껍질과 유사한 특이한 나선형 패턴으로 어떻게 정렬되어 있는지 보여주는 4월 데이터 발표 다음날 게시된 논문에 대한 화제를 떠올립니다.
그 패턴은 궁수자리로 알려진 작은 위성 은하에 의해 찍힌 지문처럼 보였다고 존스턴은 말합니다. 궁수자리가 가까이 올 때마다, 그것은 은하계 별들을 중력적으로 교란시키고, 이것은 원반에 흔들림과 파문을 일으킬 것입니다. 연구원들은 이전에 그러한 각인에 대해 추측했지만, 가이아 자료의 서명은 궁수자리의 영향에 대한 최초의 명확하고 설득력 있는 신호인 것처럼 보였습니다. "저에게는 놀라운 순간이었습니다."라고 Johnston은 말합니다. "나선은 매우 깨끗했습니다. 실제 데이터 플롯이 아니라 이상화된 시뮬레이션에서 나온 이론적 예측처럼 보였습니다."
가이아의 눈 덕분에, 그러한 섭동은 눈에 띄었을 뿐만 아니라, 은하수의 과거에 대한 다른 이야기를 들려주고 있습니다. 이전에, 대부분의 천문학자들은 은하의 바깥쪽 후광이 더 작은 위성들과의 혼란스러운 충돌 역사를 견뎌온 반면, 주요한 덩어리는 꽤 조용한 삶을 살았다고 추정했습니다. 나선팔과 중심 팽대부를 가로지르는 것으로 생각되는 별들의 막대와 같은 특징들은 일반적으로 우리 은하의 내부 역학의 산물로 취급되어 왔습니다. 그러나 궁수자리에 의해 유도된 것으로 보이는 흔들림은 외부의 힘이 이전에 인식되었던 것보다 우리 은하의 모양에 더 큰 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
뉴저지 프린스턴 대학의 천체물리학자인 Adrian Price-Whelan은 가이아가 모형을 단순화하는 데 사용되는 표준 가정의 일부를 다시 살펴보도록 연구원들에게 강요하고 있다고 말합니다. "우리는 그러한 가정이 잘못되었다는 것을 알고 있었습니다."라고 그는 덧붙였습니다. "가이아는 이제 우리에게 그들이 얼마나 틀렸는지 보여주었습니다.
우리 은하의 발광 물체를 지도로 만들면 은하 질량의 90%를 차지할 수 있는 암흑 물질도 밝혀질 수 있습니다. 이론가들은 우리 은하가 일반적인 물질과 마찬가지로 중력 덕분에 더 작은 구조로 뭉쳐진 거대하고 대략 구형의 암흑 물질 헤일로 안에 있다고 의심합니다. 우주론적 시뮬레이션은 수천 개의 거대한 암흑 물질 덩어리가 은하 주위를 돌고 있으며, 때때로 은하가 작은 가시 위성을 소비하는 것과 유사한 과정에서 중심에 있는 암흑 물질 덩어리에 의해 먹힐 수 있음을 시사합니다.
암흑 물질 하위 구조의 대부분은 별을 거의 또는 전혀 포함하지 않는 것으로 생각되어 탐지하기가 어렵습니다. 하지만 가이아는 2006년에 북쪽 하늘의 절반에 걸쳐 있는 긴 별들의 흐름인 GD-1에서 하나의 힌트를 발견했을지도 모릅니다. 이 별의 흐름은 정밀 조사에 낯설지 않지만, 가이아는 프라이스-휠란과 매사추세츠 캠브리지의 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터의 천문학자 아나 보나카가 그룹의 실제 구성원들을 더 자신 있게 선택할 수 있도록 했습니다. 지난 11월, 그들과 두 명의 다른 동료들은 약 5억 년 전 거대한 물체와의 충돌의 상처일 수 있는 뚜렷한 틈을 포함한 구조적 특징을 발견했습니다. 섭동으로 추정되는 사람이 개울을 빠르게 지나갈 때, 그것은 그들이 그들의 동료들보다 앞으로 당길 수 있도록 해주는 중력에 의해 별들의 행렬을 분리했을지도 모릅니다.
가장 가능성이 높은 범인은 아마도 태양 질량의 100만 배에서 1억 배 사이의 밀도 높은 암흑 물질 덩어리인 것 같다고 보나카는 말합니다. 그 추정치는 암흑 물질의 물리적 모델에 영향을 미칠 수 있습니다. 암흑 물질 입자의 질량은 그것이 얼마나 빨리 움직일 수 있는지, 그리고 다시 그것이 형성되기 쉬운 성단의 크기를 지시하는 데 도움이 됩니다. GD-1 퍼터버의 크기는 흥미로운 범위에 있으며, 이는 상대적으로 질량이 낮은 가설상의 암흑 물질 후보를 제거할 수 있다고 보나카는 말합니다.
보나카와 그녀의 팀은 현재 가이아 데이터를 사용하여 암흑 물질 덩어리로 추정되는 궤도를 가리킬 수 있는 개울에서 교란된 별들의 속도를 결정하는 데 관심이 있습니다. 만약 그들이 그것이 오늘날 어디에서 발견될 수 있는지를 확인할 수 있다면, 그들은 다른 물질에 미치는 중력 효과를 감지할 수 있을 것입니다. 아니면 그들은 암흑 물질 입자들이 서로를 전멸시키거나 붕괴하는 증거를 찾기 위해 에너지가 넘치는 광자를 방출할 수 있는 과정을 찾기 위해 그 자리에서 γ선 망원경을 훈련시킬 수도 있을 것입니다. 두 기술 모두 보이지 않는 물질의 물리적 특성을 보다 직접적으로 조사할 수 있습니다.
그러나 프라이스-휠란은 하나의 예에서 너무 많은 것을 추론하는 것은 어렵다고 말합니다. 그는 2020년대 초에 데이터 수집을 시작할 것으로 예상되는 칠레의 지상 기반 대형 시놉틱 조사 망원경과 같이 가이아 카탈로그와 미래 관측소를 사용한 체계적인 연구가 더 희미한 별과 다른 항성 흐름을 드러내기를 희망합니다. 만약 그 흐름들 중 일부가 암흑 물질 덩어리와의 만남에서 효과를 보인다면, 그것들은 천문학자들에게 암흑 물질의 특성을 파악하는 데 도움이 되는 그러한 성단의 풍부함과 크기에 대해 더 잘 알 수 있을 것입니다.
천문학자들은 별의 움직임에 대한 가이아의 데이터가 은하의 어두운 면의 일반적인 모양을 만드는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다. 그것이 만들어지는 입자의 종류에 따라, 우리 은하의 암흑 물질 헤일로는 다른 수준의 구형성 또는 대칭성을 가질 수 있습니다. 벨로쿠로프는 가이아의 국부적 항성 궤도에 대한 정보가 향후 2-4년 안에 암흑 물질 헤일로의 전체 질량과 형태를 추적하기에 충분할 것으로 예상합니다.
그러한 발견은 우리 은하에만 국한되지 않을 것입니다. 은하의 역사와 암흑 물질 분포에 대해 도출된 결론은 우주의 큰 구조가 어떻게 성장하고 변화했는지를 탐구하는 데 사용되는 우주론적 모델로 피드백될 것입니다. 가이아는 이미 2020년 말까지 첫 번째 임무 연장을 승인 받았고, 임무의 데이터 처리 및 분석 컨소시엄을 이끌고 있는 네덜란드 라이덴 대학의 천문학자 Anthony Brown은 위성이 총 10년의 임무를 위해 2024년까지 데이터를 계속 수집할 수 있다고 생각합니다. 그는 이 확장이 가이아가 현재 추적하고 있는 별들의 고유 운동을 측정하는 정밀도를 3분의 1로 향상시킬 것이라고 말합니다. 그리고 그것은 점점 더 먼 별들에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.
가이아의 궁극적인 유산은 아직 쓰여지지 않았지만, 모든 징후는 그것이 상당할 것임을 시사합니다. SDSS에 의해 수행된 것과 같은 전천공 탐사의 데이터는 우주가 완성된 지 10년 이상이 지난 후에도 계속해서 유익한 발견을 제공합니다. 헬미는 가이아의 목록이 더 커지고 더 상세해짐에 따라 우리 은하의 역사를 더욱 되감아 주기를 기대하고 있습니다. "제가 가장 흥미롭다고 생각하는 것 중 하나는 우리가 정말로 과거를 파헤치기 시작했다는 것입니다."라고 그녀는 말합니다.
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