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2012년 9월 26일 수요일

우주 이야기 113 - 허블 울트라 딥 필드와 익스트림 딥 필드




 이전에 몇차례 소개드린 데로 허블 우주 망원경은 빅뱅 직후 초기 우주의 은하를 관측하고 있습니다. 멀리 떨어진 은하, 다른 말로 적색 편이가 큰 은하를 관측할 수록 사실상 우주 초기의 모습을 보는 것과 같습니다. 허블 울트라 딥 필드 (Hubble Ultra Deep Field  HUDP) 는 이전 존재했던 관측 목표인 허블 딥 필드 (Hubble Deep Field  HDF) 보다 더 먼 과거를 관측했습니다. 


 우주에는 수많은 천체들이 존재합니다. 은하나 은하단 외에도 어둡게 보이는 먼지 구름이나 가스 성운등 다양한 파장의 빛과 다른 전자기파를 가릴 수 있는 물체가 우주에는 널려 있습니다. 따라서 100 억 광년 이상 (빛이 이동한 거리 기준) 떨어진 천체를 관측하려면 이런 다른 은하나 혹은 가리는 물체가 없어야 가능합니다. 


 물론 100% 아무 것도 없는 진공은 가능하지 않습니다. 하지만 이런 방해물이 거의 없는 방향이 있게 마련이고 이것은 일종이 과거를 보는 창과 같은 기능을 할 수 있습니다. 허블 우주 망원경은 관측 초기 부터 허블 딥 필드 관측을 통해 과거의 우주의 모습을 밝혀왔는데 더 멀고 오래된 우주의 모습을 관측하는 연구가 바로 허블 울트라 딥 필드라고 할 수 있습니다. 



(허블 딥필드와 울트라 딥필드.  Source : NASA )


 허블 딥 필드는 큰곰자리 방향에 존재하는 좁은 영역으로 네개의 파장 영역 - 300 nm (근자외선), 450 nm (청색), 606 nm (적색), 814 nm (근적외선) - 을 장시간 노출시켜 이미지를 얻습니다. 빅뱅 직후 10 억년 정도 은하까지를 관측하는 허블 딥 필드는 우주 초기 은하의 모습을 관측하는 창이며 이를 통해 우리는 초기에 은하가 어떻게 형성되고 발전했는지를 알 수 있습니다. 과학자들은 이런 초기 은하들이 지금의 은하들보다 훨씬 불규칙하고 자주 합체를 일으켰으며 보다 활발한 항성 생성이 이루어졌다고 알고 있습니다. 


 2003 - 2004 년 사이 130 억년 이상 된 우주의 모습을 관측해 더 초기의 은하를 알아보려는 노력이 허블 울트라 딥 필드  (HUDF) 에서 시작되었습니다. 화학로 (화로) 자리 (fornax) 에 있는 매우 좁은 영역이 허블 울트라 딥 필드로 불리고 있는데 3 분각 (arcminute : 1 도를 60 등분 한 것) 정도 되는 범위에 하늘을 관측하는 것입니다.

  
 2002 년 허블 우주 망원경의 수리미션 (STS - 109) 에서 장착된 ACS (Advanced Camera for Survey) 같은 새로운 관측 장비의 도움과 장시간의 노출을 통해 허블 우주 망원경은 매우 희미한 은하까지 관측이 가능해졌습니다. 관측은 네가지 파장 (435, 606, 775, 850 nm )을 매우 장시간 노출시켜 이미지를 얻는 방식으로 이루어집니다. 희미한 은하를 관측하기 위해 필요한 조치라고 할수 있는데 지구 저궤도를 공전하는 허블 우주 망원경에서 이를 위해 매 공전시 마다 조금씩 같은 위치를 관측해서 장시간 노출된 이미지를 얻을 수 있었습니다. 




(허블 울트라 딥 필드의 관측 영역   Source : NASA  )


(허블 울트라 딥 필드의 이미지. 대략 10000 개 정도의 희미한 은하들을 포함하며 여기에는 빅뱅 이후 4-8 억년 사이의 초기 은하들도 포함  source : NASA ) 


 허블 울트라 딥 필드 관측은 2003 년 이후 진행되었고 마지막 허블 우주 망원경 업그레이드였던 2009 년 미션에서 Wide Field Camera 3 (WFC 3) 을 탑재한 이후 이전의 관측 결과와 합쳐 더 세밀한 허블 울트라 딥 필드 영상을 얻게 되었습니다. 


 이를 통해 이전에 소개드린 가장 먼 거리에 있는 은하들의 존재가 밝혀졌는데 이 은하들은 빅뱅 직후 5억년이라는 아주 초기의 은하들이며 적색 편이 z ~ 10 내외의 지금 기술로 관측 가능한 끝자락에 있는 은하들이라고 할 수 있습니다. 이 은하들은 허블 우주 망원경이나 그 외의 다른 망원경으로도 작은 점으로 밖에 보이지 않습니다.


 미래에 이들 은하들을 좀 더 자세히 보기 위해서는 결국 제임스 웹 우주 망원경 및 차세대 지상 관측 망원경들이 활약해야 할 것입니다. 다만 그 전에도 이미 천문학자들은 지난 10 년간의 허블 우주 망원경 이미지들을 모아 가장 우주 깊숙한 곳을 보는 작업을 완성했습니다. 허블 익스트림 딥 필드 (Hubble eXtreme Deep Field  XDF) 는 위의 허블 울트라 딥 필드와 겹치는 부분도 있으나 더 희미한 은하들까지 표시한 이미지 입니다. 여기에는 5500 개의 우주 초창기 은하들의 사진이 있습니다. 



(허블 익스트림 딥 필드 XDF, 클릭하면 원본      Source : Hubble Web Site  )  


 이 이미지를 얻기 위해 허블 우주 망원경은 지구 주위를 공전하면서 특정 위치에서 한 지점에 계속 노출되었는데 이는 천체 사진을 찍을 때 카메라를 장시간 노출시키는 것과도 유사합니다. 이렇게 10 년간 총  200만초 동안 노출시켜 얻은 2000 장의 이미지를 합성해서 XDF 가 만들어졌습니다. 여기에는 주로 두개의 카메라 ACS 및 WFC3 가 사용되었습니다. 


 위의 사진은 현재 인류의 기술로 볼 수 있는 가장 먼 우주의 이미지이자 가장 오래된 모습이라고 할 수 있습니다. 여기에 찍힌 희미한 은하들에서 출발한 빛은 130 억년에 가까운 시간에 걸쳐 지구에 도달했으며 이 빛을 보낸 은하는 지금 지구에서 수백억 광년 넘게 떨어져 있습니다. 그렇게 생각하면 사진 한장이지만 꽤 의미심장한 내용이 담겨있다고 하겠습니다.  



 참고 






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