English article posted on Gemini Observatory (www.gemini.edu) is shown at the end of Korean news.
국내 연구진, 빅뱅 이후 약 10억년 시기의 거대질량 블랙홀 천체 발견
제미니(Gemini) 8m 망원경으로 초기우주 빛의 원천 발견
한국천문연구원(원장:한인우)은 국내 연구진이 128억 년 전의 거대질량 블랙홀 천체인 퀘이사를 발견하였다고 밝혔다. 이 발견은 빅뱅 이후 약 10억년 시기의 어두웠던 초기 우주를 밝힌 원인 천체가 무엇인지 규명하는데 중요한 역할을 할 것이다. 이번 연구에는 한국천문연구원이 파트너로 참여하고 있는 세계 최대급 천문대 제미니 8m 망원경이 핵심적인 역할을 하였다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 “리더연구자지원사업(창의적 연구)” 및 한국천문연구원 “GMT 시대를 대비한 중대형망원경 활용연구” 사업의 지원으로 수행된 본 연구의 결과는 천문학 분야 최상위급 학술지인 천체물리학저널레터(The Astrophysical Journal Letters) 학술지에 11월 10일자로 소개될 예정이다. 이 연구는 서울대학교 임명신 교수가 이끄는 초기우주천체연구단 연구원 15명과 한국천문연구원의 김민진 박사를 비롯한 2명의 연구진에 의하여 이루어졌다.
우주는 빅뱅이후 수 억 년이 지난 후 최초의 천체들이 탄생하면서 서서히 밝아진 것으로 알려져 있다. 하지만, 그 시기의 빛의 주 원천이 되는 천체가 무엇인지에 대해서는 아직 논의가 진행 중이다.
그 후보 중 하나는 퀘이사이다. 퀘이사는 은하 중심에 위치한 초거대질량 블랙홀 주변으로 별과 가스가 떨어질 때 나오는 마찰열에 의해 은하보다 수 배에서 수백 배나 밝게 빛나는 천체이며, 초기우주 빛의 주원천이 되는 천체로 제안이 되고 있었다.
이를 알아내기 위해선 초기우주에 퀘이사가 얼마나 많이 존재하였는지 알아야 한다. 특히 퀘이사 빛의 대부분을 차지하는 것으로 추정되는 “보통 밝기 퀘이사(은하보다 10배 정도 더 밝은 퀘이사)”들의 수를 알아내는 것이 중요하다. 하지만, 초기우주의 “보통 밝기 퀘이사”는 매우 멀리 있어 어둡고 드물기 때문에 발견하기가 매우 어렵다.
그림 1. 한국 연구진이 관측한 퀘이사의 이미지. 우리로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 매우 붉게 보인다.
연구팀은 2010년부터 광시야 적외선 관측이 가능한 UKIRT 4m망원경을 비롯하여 미국 맥도널드 천문대 2.1m망원경, 하와이 CFHT 3.6m 망원경 등을 사용하여 초기우주 퀘이사 후보를 찾기 위한 탐사관측을 꾸준히 실시해왔다. Infrared Medium-deep Survey (IMS)라 명명된 이 탐사관측을 통해 퀘이사 후보 천체를 선별하였지만 그것이 실제로 퀘이사인지, 그러고 얼마나 멀리 떨어진 곳에 있는 천체인지 알아내기 위해서는 세계 최대급 망원경을 사용한 관측이 필수적이었다.
때마침 2015년부터 한국천문연구원이 세계 최대급 구경 8미터 망원경 두 대를 보유한 제미니 천문대와 협력관계를 맺고 제미니 천문대의 관측시설을 한국천문학계에 제공하게 되었다. 연구진은 이 기회를 이용하여, 세계에서는 3번째, 한국에서는 최초로 초기 우주의 보통 밝기 퀘이사를 찾는 쾌거를 이룰 수 있었다. (그림1 참고, 전체 논문은 여기)
연구진은 이번에 발견된 퀘이사를 IMS J220417.92+011144.8(약자: IMS J2204+0111)이라 명명하였다. 이 퀘이사의 중심부에는 태양 질량의 약 천만에서 일억 배가량 되는 거대질량 블랙홀이 있는 것으로 추정된다.
특히 이 IMS J2204+0111 퀘이사와 다른 퀘이사 후보천체들로부터 우주 초기 보통밝기 퀘이사의 수밀도를 추정한 결과, 우주 초기의 빛 중에서 퀘이사가 차지하는 비율이 10% 미만으로 그다지 많지 않음을 밝혀냈다.
우주공간의 물질들은 우주의 나이 약 10억년 가량, 즉 IMS J2204+0111이 있었던 시절에 이온화가 된 것으로 알려져 있는데, 이를 우주의 재이온화라고 한다. 우주 초기 은하 구조 형성을 이해하는 데 우주를 이온화하는 과정이 매우 중요한데, 이번 발견은 퀘이사에서 나오는 빛이 우주의 재이온화에 그다지 큰 역할을 하지 않았음을 보여주면서 초기 우주 천체형성과정에 대한 중요한 단서를 제공하였다.
이번 초기우주 퀘이사를 발견은 앞으로 초기우주 천체의 역사를 제대로 이해할 수 있는 발판을 제공하였다는 점에서도 의의를 갖는다. 그동안 초기우주에 거대 질량 블랙홀이 많이 있어야 한다고 하는 연구들이 있어왔으나, 빅뱅이후 10억 년이라는 짧은 시간 안에 어떻게 그렇게 무거운 거대질량블랙홀이 형성될 수 있는지 수수께끼였다. 앞으로“보통 밝기 퀘이사”를 추가적으로 발견하고 그들의 질량을 측정하면 이러한 물음에 대한 해답도 얻을 수 있을 것으로 보인다.
그림 2. 제미니 망원경으로 얻은 퀘이사의 분광자료. 우주의 팽창으로 인하여 멀리 있는 천체일수록 그것이 정지해 있을 때 보다 더 붉은 색으로 관측이 되는데, 이는 스펙트럼에 나타나는 짧은 파장 빛이 긴 파장에 나타나는 현상으로 관측이 된다. 이번에 발견된 IMS J2204+0111 퀘이사의 경우, 정지상태에서는 1216옴스트롱에 나타나야하는 라이만 알파 방출선이 8500 옴스트롱에 나타나, 그 빛이 적색이동값 6으로 적색화되었음을 알 수 있었다. 이로부터 이 퀘이사가 128억 년 전 우주가 현재보다 1/7로 작았던 시기에 있었던 천체임을 알 수 있었다.
Following is a copy of English article posted on Gemini Observatory (www.gemini.edu)
Illumination of the Early Universe by Quasars: Korea's 1st Result as Limited Gemini Partner
The following is based on a translation of the Korean press release.
A team of Korean astronomers discovered a faint quasar in the early Universe which sheds light on the main sources of illumination about 1 billion years after the Big Bang. The team used the Gemini South telescope in Chile, and several telescopes on Maunakea in Hawai‘i, to make the discovery. This is the first published scientific result from the Korean astronomical community since the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) joined in a limited partnership with Gemini at the beginning of 2015.
The history of objects we see today in the Universe started when the first stars formed a few hundred million years after the Big Bang. However, it has been unclear what types of objects illuminated the intergalactic medium in order to ionize neutral atoms (called the re-ionization of the universe).
Quasars, because they are so bright, have been suggested as one of the main “culprits” for the source of re-ionizing energy. Quasars shine when supermassive black holes at the centers of galaxies vigorously accrete gas and stars – they can blaze at up to 100 times the total brightness of their host galaxies. Knowing the number of quasars in the early Universe with moderate luminosity (from about a few to 10 times more luminous than our Milky Way galaxy) can provide an important clue to solving this puzzle, since moderate luminosity quasars dominate the available illumination provided by quasars.
However, moderate luminosity quasars are faint (because they are so distant), and rare, so it is challenging to find them. So far, only two or three such objects have been identified. In order to find moderate luminosity quasars at a redshift of 6 (or about one billion years after the Big Bang), the team performed a moderately wide and deep imaging survey, called the Infrared Medium-deep Survey (IMS) using the data taken with telescopes on Maunakea, including the United Kingdom Infrared Telescope, and the Canada-France-Hawai‘i Telescope. In a subset of these data, the team identified 7 faint quasar candidates. Subsequently, the spectrum of one of these quasars, obtained with the Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) at the Gemini South telescope in July 2015, revealed that the object is indeed a much sought-after moderate luminosity quasar in the early Universe.
The newly discovered quasar, named as IMS J220417.92+011144.8, is expected to harbor a black hole of about 10 million to 100 million solar masses. Its distance is about 12.8 billion light-years from us. The discovery of IMS J2204+0111 and the statistical results of the survey suggest that quasars can only contribute up to about 10% of the re-ionizing flux in the early Universe. This value is lower than expected and doesn’t provide enough energy to fully account for the re-ionization of the Universe. Additionally, the redshifts of the other quasar candidates are still unknown; if they turn out not to be quasars, this number would be reduced even further. Therefore, it is unlikely that quasars are the dominant sources of illumination in the early Universe: 90% or more of the light must originate from other objects.
The discovery was made possible thanks to the GMOS’s high sensitivity to infrared light where most of the light of such high-redshift quasars is concentrated. This work was carried out by Yongjung Kim (lead author), Myungshin Im (Principal Investigator), and Yiseul Jeon of Seoul National University, Minjin Kim at Korea Astronomy and Space Science Institute, and 14 other collaborators. The result was published in the November 10 issue of The Astrophysical Journal Letters, and the paper is available on the astro-ph.
Figure 1. Color composite-image of IMS J2204+0111 at z=6 (about 1 billion years after the Big Bang). IMS J2204+0111 is the red object at the center and its distance from us is 12.8 billion light years. Because of the expansion of the universe, distant objects like IMS J2204+0111 move away from us almost at the speed of the light, making their light to shift into near-infrared wavelength (phenomenon, called “redshift”). This makes them look very red in comparison to other objects, and this special color feature enabled the team to identify distant quasar candidates.
Figure 2: GMOS spectrum of IMS J2204+0111. A prominent break in the spectrum is visible at the wavelength of about 8500 Å. The feature corresponds to the Hydrogen Lyman-α line which has a wavelength of 1216 Å at rest. It is now shifted to 8500 Å, suggesting that this object is moving away from us at the redshift of 5.944. The sharp break is caused because neutral hydrogen around the quasar absorbed the light at the wavelength below the Lyman-α line.