왜 은하들은 나선 팔이 있을까

[밤송이]

다소 엉뚱하고 생소하게 생각되는 제목을 접하고 호기심을 갖고 보게 되었습니다.
의외로 재미있는 설명으로 이해를 돕는 것이 마음에 들어 지식을 공유하고자 올립니다.
처음은 칼럼 내용이구요 아래는 논문 초록입니다.
밀도파라는 단어의 개념을 맨밑에 추가로 자료를 붙였습니다.
까페에서 은하사진을 멋있다고만 봤지 이런 의문을 갖고 연구하는 줄은 몰랐네요
모두 즐겁게 보시고 즐거운 별 생활되세요.

Why Galaxies Have Spiral Arms  왜 은하들은 나선 팔이 있을까

 By: Camille M. Carlisle | August 29, 2016

 
 
Astronomers have found a unique trait of spiral arms that supports a longstanding idea about where these patterns come from.
학자들은 나선팔에 대해 어디서 이 형태가 나오는지에 대한 오랜 생각을 지지하는 독특한 특징을 찾았다.

                                                  

M101
The galaxy M101 is a "grand design" spiral (meaning it's dominated by prominent, well-organized arms) of type Sc. Of its estimated trillion stars, many thousands of its brightest supergiants are resolved by Hubble.
NASA / ESA / K. Kuntz (JHU) / F. Bresolin (Univ. of Hawaii) / J. Trauger (JPL) / J. Mould (NOAO) / Y.-H. Chu (Univ. of Illinois, Urbana) / STScI

우주에서 가장 아름다운 대상을 꼽으라면 두말할 것도 없이 나선형 은하들이다.
이 아름다운 나선형의 팔을 젊고 밝은 별들이 장식하고 있으며, 먼지로 이루어진 암흑대는 그들에게 극적인 명암을 더해주는 은하의 아이라이너(eyeliner)처럼 보인다.

원칙적으로 나선팔을 만드는 것은 쉽다.
다양한 이유로, 원반에 있는 물질들이 때로 함께 뭉치지만 오랫동안 결집하려고 하지는 않는다 : 은하중심의 근처에 있는 별과 구름들은 더 외곽에 있는 물질들보다 더 빠르게 돌아서, 시간이 지나면 결집되어 있던 것이 나선형으로 펼쳐진다.

그러나 이러한 이유로 팔은 은하의 중심을 빠르게 감싸면서, 나선을 파괴한다. 일반적으로 이 과정은 일어나지 않는다.
그래서 거의 반세기동안 학자들은 왜 이 형태가 지속되는지에 대해 논쟁을 해왔다.

많은 사람들은 제안하기를, 아마 별들이 실제로 형태를 만든다기 보다- 단지 그들은 그 곳을 지나가는 것이고, 대신에 소위 말하는

밀도파( density waves ) 덕분에 팔들이 생겨나는 것이라고 본다.
이제 Astrophysical Journal Letters의 8월 10일자로 출판된 관찰내용은 오랫동안 찾아왔던 이 파동의 존재를 제시하고 있다.

새로운 별들을 내놓다.

여러분이 고속도로에서 속도를 늦춰본 경험이 있으시면, 여러분은 밀도파를 경험하신 것입니다.
길에서 씽씽 달리는 차들은 무슨 이유로든지 감속을 해야만 하는 지역을 만나게 됩니다. 그 지역을 지나고 나면, 다시 속도를 높입니다. 차들이 성공적으로 이 막힌 구간을 지났지만 아직 이 느린 시간이 지속되고 고속도로를 따라 계속 퍼져나간다.

우리 생각에 나선은하에서는 바로 같은 일이 일어나는 것 같다. 마치 차들이 계속해서 고속도로의 병목구간을 지나는 것처럼, 원반에 있는 뭉쳐진 물질들이 나선으로 퍼져나가면서, 모든 별과 구름들이 그 팔을 따라 움직이는 것 같다. 근본적으로, 구름과 별들은 은하를 지나가면서 느려지다가 연쇄반응으로 -밀도파- 다시 빨라진다.

이 모식도는 밀도파가 어떻게 나선팔을 만들어내는가에 대한 가정이다. 녹색 점선으로 표시된 동시회전반경에서는 밀도파(갈색선의 별들)와 은하원반의 별과 가스가 같은 속도로 돈다. 이 반경 안에서는 별들이 밀도파보다 빠르게 간다. 반경 밖의 별들은 느리게 간다. 이런 가정 하에, 밀도파는 가스팔(검정색)을 압축해서 신생별(파란색)을 형성하고 밀도파를 지나 멀리 나가면서 나이를 먹는다. 이들 신생별들은 이미 원반에 있는 다른 늙고 붉은별들과 결합하여 파동(붉은색)에 의해 더욱 응축된다. 시간이 지나면서 팔들은 감기므로, 은하 팔들은 학자가 어떤 별 집단을 관측하는가에 따라 더 빽빽하거나 느슨해지거나 할 것이다.

Hamed Pour-Imani et al. / Astrophysical Journal Letters 827:L2, 2016 August 10. © AAS, reproduced with permission

우리가 이 나선팔의 형태를 볼 수 있는 이유는 은하를 지나가면서 밀도파가 가스구름을 압축해서 별형성을 자극하기 때문이다. 그래서 가장 어리고 밝은 별들은 파동의 가장 가까이에 있게 되어 팔의 흔적을 찾게 된다. 별들이 파동에서 멀리 이동하여 원반을 가로질러 퍼져나가면서 나이를 먹고, 팔들이 감기는 것을 막으며, 이 가장 크고 밝은 별들은 죽어갈 것이다.

그렇다고 감기는 것이 없다는 것을 의미하지는 않는다. 다음의 가정에서 중요한 예측이 가능하다: 나선팔이 얼마나 빽빽하게 감기는 가는 어떤 별집단을 여러분이 관측하는가에 달려있다. 시간이 지나면서 별들은 파동에서 멀어져가고 -안쪽의 별들은 빠르게 움직이고 바깥의 별들은 더 느리게 움직이므로- 시간이 지나면서 나선을 만들어내고, 빽빽하게 하면서 그들의 궤도운동은 팔을 감는다.

그러나 뜨겁고, 푸른, 빠르게 살다 죽는 젊은 별들은 이 밀도파를 만나면 곧 박차고 나가므로, 단지 느슨하게 감기는 팔을 만들게 된다. 역으로 나이들고 붉은 별들은 더 꽉 조이는 팔을 만들게 된다.

그래서 학자들이 은하를 볼 때 젊은 별들의 파장을 택해서 보면, 늙은 별들의 파장을 볼 때보다 더 느슨한 팔을 보게 된다.

밀도파가 감지되다.

결론적으로, 지금까지 학자들은 이 효과를 본적이 없다.

그러나 이번 연구에서 모두를 만족시키는 설득력있는 확증을 내놓았다.

자료는 원적외선, 근적외선, 가시광선, 자외선 파장의 28장의 나선형 은하들 기록상(像)을 편집하였다.

이 원적외선과 자외선 파장 像에서 별 형성지역을 찾아내고 가시광선과 근적외선파장 기록에서는 늙은 별들을 찾는다.

세 가지방법(주, 세가지 파장을 사용함, 아래 초록에 기록됨)으로 이 팀은 결과를 점검했고 충분히 확신하였으며, 정확히 무엇이 예견이 되는지를 찾았다: 늙은 별들이 분포한 팔들은 별 형성지역이 분포한 팔들보다 은하 중심을 더 꼭 껴안고 있다.

결과는 밀도파가 존재한다는 것을 적절히 확증하였다.

Arguably the prettiest objects in space are spiral galaxies. Young, bright stars trace the arms of these graceful whorls, and dark dust lanes act like galactic eyeliner to dramatically shade them.

In principle it’s easy to make a spiral arm. For various reasons, stuff in the disk sometimes clumps together, but the clump won’t stay a clump for long: stars and clouds near the galactic center circle the galaxy faster than the material farther out does, so over time the clump gets stretched into a spiral.

However, by this reasoning, the arm should quickly wrap itself around the galaxy’s center, destroying the spiral. That generally doesn't happen. Thus for at least half a century, astronomers have debated why these patterns persist. Maybe, many have suggested, stars don’t actually create the pattern — instead, they’re just passing through it. The arms instead would arise thanks to what are called density waves. Now, observations published in the August 10th Astrophysical Journal Letters provide long-looked-for evidence that these waves do exist.

Yield to Oncoming Stars 

If you’ve ever been in a slowdown on the highway, you’ve experienced a density wave. Cars whizzing down the road encounter a region where, for whatever reason, they have to decelerate. Once they’ve passed it, they speed up again. Yet even though cars are successfully passing through the jam, the slow stretch persists and keeps propagating along the highway.

The same thing happens (we think) in spiral galaxies. Even as a clump in the disk stretches into a spiral, all the stars and clouds keep moving through that arm, just as cars continue to pass through a highway choke point. Essentially, clouds and stars slow down and speed up again in a chain reaction — a density wave — that moves through the galaxy.

---용량초과로 휘 모식도를 참고바랍니다. 죄송합니다.---

how density waves work
This diagram shows the authors' scenario for how density waves create spiral arms. The green dashed line is the co-rotation radius, where the density wave (brownish curve, labeled "stellar arm") and the stars and gas in the galactic disk travel at the same speed. Within that radius, the stars travel faster than the wave; outside the radius, the stars travel slower. In the scenario above, the density wave compresses the gaseous arm (black), which then forms new stars (blue arm) that age as they travel farther from the density wave. Those newborn stars combine with other, old-and-red stars that were already in the disk and were squeezed closer together by the wave (red). Because arms wind up with time, a galaxy's arms will look tighter or looser depending on which population of stars astronomers observe.
Hamed Pour-Imani et al. / Astrophysical Journal Letters 827:L2, 2016 August 10. © AAS, reproduced with permission

The reason we can see this spiral pattern is because as it passes through the galaxy the density wave compresses gas clouds, triggering star formation. The youngest, brightest stars will thus be nearest the wave and trace out an arm.  As stars move out of the wave and spread out across the disk they will age and these biggest, brightest stars will die off, preventing the arm from totally winding up.

But that doesn’t mean there’s no winding. An important prediction comes out of this scenario: how tightly wound a spiral’s arms appear depends on which population of stars you observe. As time goes on the stars get farther from the wave, and — because the inner stars move faster and the outer stars move slower — their orbital motions do wind the arm they’re tracing, tightening the spiral over time.

But because the hot, bluish, live-fast-die-young ones kick the bucket soon after they encounter the density wave, they’ll only trace loosely wound  arms. Conversely the older, redder stars will trace more tightly wound arms. So if astronomers look at a galaxy in wavelengths that pick up young stars, they’ll see a more relaxed spiral than if they look in wavelengths that pick up old stars.

Density Waves Detected  

Until now, astronomers hadn’t conclusively seen this effect. But the new study by Hamed Pour-Imani (University of Arkansas) and colleagues is convincing proof in its favor. The team compiled archival images of 28 spiral galaxies in far-infrared, near-infrared, optical, and ultraviolet wavelengths. The far-infrared and ultraviolet wavelengths pick up star-forming regions, while optical and near-infrared probe older stars.

The team checked its results three ways and sure enough, it found exactly what’s predicted: arms traced by older stars hug the galactic centers more tightly than those traced by star-forming regions. The result is a neat confirmation that density waves exist.

Reference: H. Pour-Imani et al. “Strong Evidence for the Density-Wave Theory of Spiral Structure in Disk Galaxies.” Astrophysical Journal Letters. August 20, 2016.

출처
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/galaxies-spiral-arms-2908201623/

The Astrophysical Journal Letters                     American Astronomical Society
   

STRONG EVIDENCE FOR THE DENSITY-WAVE THEORY OF SPIRAL STRUCTURE IN DISK GALAXIES
원반은하에서 나선구조의 밀도파에 대한 유력한 증거

Hamed Pour-Imani1,2, Daniel Kennefick1,2, Julia Kennefick1,2, Benjamin L. Davis1,3, Douglas W. Shields1,2, and Mohamed Shameer Abdeen1,2

 Published 2016 August 2 •   © 2016. The American Astronomical Society. All rights reserved. 
 The Astrophysical Journal Letters,  Volume 827,  Number 1  

Abstract
 
The density-wave theory of galactic spiral-arm structure makes a striking prediction that the pitch angle of spiral arms should vary with the wavelength of the galaxy's image. The reason is that stars are born in the density wave but move out of it as they age. They move ahead of the density wave inside the co-rotation radius, and fall behind outside of it, resulting in a tighter pitch angle at wavelengths that image stars (optical and near-infrared) than those that are associated with star formation (far-infrared and ultraviolet). In this study we combined large sample size with wide range of wavelengths, from the ultraviolet to the infrared to investigate this issue. For each galaxy we used an optical wavelength image (B-band: 445 nm) and images from the Spitzer Space Telescope at two infrared wavelengths (infrared: 3.6 and 8.0 μm) and we measured the pitch angle with the 2DFFT and Spirality codes. We find that the B-band and 3.6 μm images have smaller pitch angles than the infrared 8.0 μm image in all cases, in agreement with the prediction of density-wave theory. We also used images in the ultraviolet from Galaxy Evolution Explorer, whose pitch angles agreed with the measurements made at 8 μm.

은하나선팔구조의 밀도파 이론은 나선팔의 pitch angle이 은하상(像) 파장에 따라 다양하다는 놀라운 예견을 만든다.
이유는 별들이 밀도파에서 생겨서 나이가 먹으면서 밖으로 움직이기 때문이다. 동시회전 반경 안에서는 밀도파 앞에서 움직이고 그 밖에서는 뒤로 떨어진다. 그로인해 가시광선과 근적외선파장의 像에서의 별들은 별형성에 상관된 원적외선과 자외선 파장의 像에서의 별들보다 더 꽉 죄는(낮은) pitch angle을 보인다. 이 연구에서 우리는 많은 견본들을 다양한 파장 즉 자외선부터 적외선까지 결합시켜서 이 주제를 다뤘다. 각 은하마다 가시광선파장의 像은 (B-band: 445 nm)를 사용하였고 스피쳐에서 얻은 像은 두 개의 적외선파장의 것(infrared: 3.6 and 8.0 μm)을 사용하였다. 또한 pitch angle은 2DFFT 와 Spirality codes를 가지고 측정하였다. 여기서 B-band 와 3.6 μm의 像은 모든 경우에서 적외선 8.0 μm의 像보다 더 작은  pitch angle을 갖는 것을 찾았고 이는 밀도파 이론의 예견과 일치하였다. 우리는 또 Galaxy Evolution Explorer에서 자외선으로 촬영한 像을 사용하였는데 이 pitch angle들도 8.0 μm에서의 측정치와 일치하였다.

*pitch angle ; 벌지에서 나선이 뻗어나가는 각으로 생각이 됨. 이 각이 작으면 은하에 딱 붙고,
               크면 은하에서 떨어진 상태로 여기면 될 것으로 사료됩니다. 위 모식도 참조

              밀도파                                            위키백과,

                                 밀도파 이론에서 설명하는 나선팔의 개요.

파일:Spiral arms.ogv
미디어 재생

 간단한 나선팔 구조를 가진 은하의 시뮬레이션. 은하 자체는 회전하지만 나선팔은 회전하지 않는다. 자세히 보면 시간이 흐름에 따라 별들이 나선팔 속으로 들어갔다가 나왔다가 하는 것을 확인할 수 있을 것이다.

밀도파(密度波, density wave)란 치아치아오 린과 프랭크 수가 1960년대 중반에 나선은하의 구조를 설명하기 위해 도입한 개념이다. 이 이론을 사용하면 나선은하의 구조 뿐 아니라 토성의 고리 같은 것도 성공적으로 설명할 수 있다.

원래 천문학자들은 나선은하의 나선팔이 물질이라고 생각하고 있었다. 그러나 만약 그렇다면 은하 중심에 가까운 물질이 은하 바깥쪽에 있는 물질보다 빠르게 돌기 때문에 나선팔이 점점 빽빽하게 조이게 된다. 그렇게 되면 나선팔을 은하의 다른 부분과 구분할 수 없게 될 것이다. 이것을 소위 감기 문제(winding problem)라고 한다.[1]

1964년에 린과 수는 나선팔의 본질이 물질이 아니며, 마치 고속도로의 교통정체와 같이 밀도가 더 높은 구역이라고 주장하였다.[2] 교통체증이 발생하면 교통체증 구역의 가운데 부분에서 자동차의 밀도는 최대가 되고, 자동차들은 체증 속을 빠져 지나간다. 하지만 교통체증 자체의 위치는(자동차들에 대하여) 움직이지 않는다. 은하에서는 항성, 기체, 티끌, 그외의 것들이 밀도파 속을 지나가며 눌렸다가 밀도파를 빠져나가는 것이다.

특히 밀도파 이론에서는 "은하 중심에서의 반경이 다른 별들 사이의 중력적 상호작용"이 감기 문제의 발생을 막아줄 수 있으며 나선 모양을 유지하게 된다고 주장한다.[3]
각주[편집]
1.이동 ↑ Carroll, Bradley W. and Dale A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics. Addison Wesley. 967쪽. ISBN 0-201-54730-9.
2.이동 ↑ Lin, C.C.; Shu, F.H. (1964). “On the spiral structure of disk galaxies”. Astrophysical Journal 140: 646–655. Bibcode:1964ApJ...140..646L. doi:10.1086/147955.
3.이동 ↑ Phillipps, Steven (2005). Wiley. 132–3쪽. ISBN 0-470-85506-1.  |제목=이(가) 없거나 비었음 (도움말)
출처
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%80%EB%8F%84%ED%8C%8C

[여우삼촌]

항상 좋은 글 감사합니다..
별만보고 사진에서 나선상만들려는 뽀셥만 생각했지 그 원리는 고민해 본적이 없었네요.. TT

[밤송이]

저도 정말 생각해 보지못한 주제라서 호기심 반으로 봤는데 의외로 기발하다고 생각했습니다.
밀도파라는 개념을 병목현상을 가지고 설명하니 귀에 쏙 들어옵니다. 정말 신비 그 자체입니다.
그런데 우리는 아쉽게도 그 변화를 눈으로 보지 못하고 어느 한 시점만 볼 수 있는게 아쉽습니다.

[윤경상(윤도사)]

참 좋은 정보 많이 올려주시는데..
제 지식의 깊이가 얕에 대부분은 무슨말인지 못알아듣고 있습니다 ㅠㅠ
좀 더 내공을 키워야겠습니다.
좋은 정보 감사합니다 ^^

[밤송이]

저도 배워가는 중이라 표현이 어색한 것도 이해에 방해가 되는지 모르겠습니다.
더 궁리하면서 올리겠습니다. 까페에 도움이 되길 바랄뿐입니다.

[별빛지기]

조금 추가 설명을 하면,

은하의 팔에서 회전하고 있는 젋은 별이 밀도파때문인지, 아니면 너울(은하를 중심으로 Sign파)을 치는 건지는 아직 모른다고 합니다. 우리 태양계의 경우 은하의 중심을 돌면서 1800만년 주기로 은하의 팔을 중심으로 올라갔다 내려갔다 한다더군요. 물론 지금이 밀도가 높은 지역으로 들어가는 중이라고 합니다. 아무튼, 저 이론에 따라 별들이 병목현상처럼 밀렸다 풀렸다를 하는건지, 너울치는게 밀도파로 보이는건지... 아니면 둘 다인지...

어쩌면 인간의 얕은 지식으로 저 넓은 우주를 자꾸 규정하려는건 아닌가 하는 생각도 듭니다.

[밤송이]

다른 관점에서 접근하는 이론도 있었다는 것을 처음 알았습니다. 참으로 대단하다고 생각됩니다.
또 신비롭습니다. 우리눈으로 이 움직임을 볼 수 없는게 아쉽습니다. 잠시 제가 지금 있는 은하도 못 보면서 주제넘는 소리를 했네요. 좋은 정보 주시니 감사합니다.