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Department of Physics & Astronomy

[이주현 학부생, 신은진 학생/김지훈 교수] 은하 충돌을 통한 암흑물질이 부족한 은하의 형성 연구 (Astrophysical Journal Letters 논문 게재)

2021-09-29l 조회수 581

학부생 이주현과 석박사통합과정 신은진은 김지훈 교수 지도로 은하 충돌을 통한 암흑물질이 부족한 은하의 형성 시나리오를 시뮬레이션을 통해서 연구했다. 
이주현 학생은 자연대 학부생 인턴십 프로그램을 통해서 연구에 참여하였고, 이번 논문의 작성과 수치해석적 시뮬레이션을 주도하였으며 신은진 학생이 1저자
인 이번 논문의 선행 논문에 공저자로 참여한 바 있다. 
아래는 연구 내용이다.

[학부생 이주현 / 석박사통합과정 신은진 / 교수 김지훈]
표준 우주 모형 (Lambda-Cold Dark Matter, LCDM) 모형에 따르면 우주를 구성하는 물질과 에너지의 68%는 암흑 에너지이고, 차가운 암흑 물질 (cold dark matter, CDM) 이 27%, 관측 가능한 보통 물질인 바리온 (baryon) 이 5%를 차지한다.  표준우주모형에서의 우주론적 구조 형성 이론에서는 은하와 은하단의 대부분의 질량은 암흑 물질이 갖고 있고, 상대적으로 매우 적은 양의 별과 가스만이 은하와 은하단에 속한다.  또한 작은 암흑물질헤일로들이 병합하여 큰 헤일로를 형성하고 이렇게 형성된 헤일로 중심부에 가스가 응집해 별을 형성하게 되어 지금의 은하와 은하단이 만들어진 것으로 추정한다.  한편, van Dokkum et al. (2018)은 NGC1052-DF2와 NGC1052-DF4라고 불리는 두 왜소 은하의 대부분의 질량이 별로만 이루어져 있고, 암흑물질이 기존 우주론에서 예측되는 것에 비해 1/400배 이하라고 보고했다.  뿐만 아니라 두 은하는 예상보다 훨씬 밝고 무거운 구상성단들을 포함하고 있다.  이러한 암흑 물질이 부족한 은하 (dark matter deficient galaxy, DMDG)들의 형성 메커니즘이 학계의 큰 주목을 받고 있으며, 다양한 시나리오가 제시되어 왔다.

본 연구에서는, 제시된 시나리오 중 한 가지인, 빠른 속도로 접근하는 두 왜소 은하의 충돌로 인한 DMDG의 생성에 대해 수치해석적인 시뮬레이션을 수행했다.  두 은하가 충돌할 때 충돌 단면적이 매우 작은 암흑 물질은 두 은하의 충돌을 거의 느끼지 못하지만, 가스 성분은 강한 충격파를 만들며 충돌면에 남게 되어 암흑물질과 분리된다.  이전의 연구 (Shin et al. 2020)에서는, 이렇게 뭉친 가스가 별을 형성하여 NGC1052-DF2에서 관측된 질량과 유사한 DMDG를 만들 수 있음을 보인 바 있다.  본 연구 (Lee et al. 2021)에서는 이전 연구의 해상도 보다 64배 높은 해상도 (1.25파섹)를 사용하여, 두 개의 왜소 은하가 300 km/s 정도의 상대 속도를 가지고 접근시 충돌로 생기는 충격파로 인해 가스가 압축된 곳에서 1억년 정도의 짧은 시간 안에 무거운 성단들이 생성되고, 그와 동시에 만들어지는 별들이 중력적으로 뭉쳐져 DMDG를 형성한다는 사실을 확인했다.  또한 약 8억년의 시간이 경과된 시점에서도 10여 개의 매우 밝은 성단들이 DMDG 주위를 공전한다는 것을 보였다.  이번 연구 결과는 암흑물질이 대부분인 표준우주모형에서도 암흑물질이 거의 없는 왜소은하가 매우 밝은 성단들과 함께 생성될 가능성을 제시한다.

According to the Lambda-CDM (Lambda-Cold Dark Matter, LCDM) cosmological model, dark energy constitutes 68% of the mass-energy density, 27% with collisionless cold dark matter (CDM), and baryonic matter accounts for the remaining 5%. Cosmological structure formation in standard cosmology addresses that structures such as galaxies and galaxy clusters mainly consist of dark matter, but much less stars and gas in mass.  In the early universe, small dark matter halos had merged with other halos to form more massive halos.  Gas accretes at the center of such halos, forming present-day galaxies and galaxy clusters.  In the meantime, van Dokkum et al. (2018) recently discovered that two dwarf galaxies, NGC1052-DF2 and NGC1052-DF4, are composed mostly of stars and lacks dark matter 400 times less than the amount expected by the conventional cosmological model.  Moreover, the dwarf galaxies were found to host an abnormally bright and massive member globular cluster population.  These enigmatic characteristics of the dwarf galaxies attracted the interest of researchers, and various formation mechanisms have been suggested for these so-called dark matter deficient galaxies (DMDGs).

In this research, we performed simulations to demonstrate one of the suggested mechanisms, the formation of DMDG during high-velocity collisions of two gas-rich dwarf galaxies.  Our previous study (Shin et al. 2020) showed that the collisionless dark matter simply passes by when two galaxies collide.  On the other hand, the gas component creates a strong shock and remains near the contact point, forming DMDGs with a stellar mass comparable to the observed quantity of NGC1052-DF2.  In our latest report (Lee et al. 2021) we adopted a spatial resolution of 1.25 pc (64 times finer than Shin et al. 2020) and found that the collision of two dwarf galaxies with a relative velocity of ~300 km/s can produce shock-induced dense gas clumps.  Massive star clusters are born in the highly compressed gas clumps within ~100 Myr, gravitationally bound together to form a DMDG.  We report that ~10 extremely bright star clusters orbit the DMDG after a simulation time of 800 Myr.  Our study suggests that galaxies with unconventional dark matter fractions and their luminous member SCs could form simultaneously in high-velocity galaxy collisions while being in line with the key observed properties of NGC1052-DF2 and NGC1052-DF4.
 

<학부생이 SCI 저널에 논문을 게재하는 것이 쉽지 않은 일이라 많은 학생들의 귀감이 될 수 있도록 소감문을 첨부했습니다.>
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