Observations of the Near-Infrared Extragalactic Background Light

Abstract

우주배경복사는 관측적 한계 또는 복사를 만드는 물리적 기작의 특성으로 인해 개별로 인식되지 않고 우주 전 하늘에 대해서 균일하게 퍼져있는 빛을 말한다. 모든 파장에 대해 우주배경복사를 관측할 수 있는데, 파장별로 복사를 내는 기작이 구별되어진다. 본 논문은 근적외선에서 우주배경복사를 관측하고 이를 분석해 우주배경복사(이하 근적외배경복사)의 기원과 그 물리적 기작에 대해 연구한 결과이다.

근적외배경복사는 별의 핵융합 과정이나 블랙홀로 주변 물질들이 빨려들어 갈 때 방출되는 것으로 알려져 있다. 하지만 관측적 한계로 인하여 근적외배경복사의 기원과 밝기분포등은 제대로 알려져 있지 않다. 현재 외부은하만이 그 기원으로 알려져 있는데 이들은 근적외배경복사 밝기에 최대 약 20% 정도만을 차지하므로 나머지 80%의 에너지원을 밝히는 것이 이 연구의 최종 목표이다.

근적외배경복사의 밝기는 우리은하와 지구대기에서의 밝기보다 어둡기 때문에 지구 대기를 벗어나 관측하는 것이 유리하다. 따라서 사운딩로켓이나 인공위성에 망원경을 실어 우주에서 관측을 수행하며 고감도의 검출기가 필요하고 오랜 시간의 노출이 요구되어진다. 이렇게 관측된 밝기에서 기원이 알려지지 않은 근적외배경복사의 영향만을 추출하려면 우리 은하와 외부 은하의 빛을 제거해야 한다. 우리은하의 전경원에는 태양빛이 태양계에 분포하고 있는 먼지 입자들에 의해 산란되어 보이는 황도광, 성간물질에 의해 산란된 별빛, 우리 은하에 분포하는 별빛이 있다. 이러한 관측적 한계에도 불구하고 근적외배경복사를 관측하기 위한 시도들이 이루어져왔다.

초기 COBE/DIRBE, IRTS/NIRS 망원경을 이용한 근적외배경복사 밝기는 관측과 이론으로 추산된 외부은하의 총 밝기보다 약 2배에서 8배까지 밝았다. 이후에 AKARI/IRC, HST/NICMOS 등의 우주망원경으로 0.5μm 부터 4.0μm까지의 파장대역에서 근적외배경복사의 밝기를 성공적으로 측정하였다. 또한, 공간적인 밝기분포 정보를 담은 공간요동 연구도 수행되어졌고 근적외배경복사의 존재를 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 하지만 기존연구에서 1μm 근처의 절대밝기 관측이 이루어지지 않았고, 또 1도 보다 큰 각도스케일에서의 공간요동 연구가 미흡했다. 우리는 위의 두 가지 측면에서 근적외배경복사의 관측과 연구를 수행하였다. 첫째로 절대밝기 연구를 위해서 우리는 미국, 일본과 협력하여 CIBER 사운딩로켓을 제작 및 발사했다. 로켓에는 총 4대의 망원경이 실렸는데, 모두 근적외배경복사 관측을 목표로 한 것이다. 2009년부터 2013년까지 총 4번에 걸친 발사관측이 이루어졌고, 1μm 근처에서의 절대밝기 연구를 위해 저분산분광기(LRS)가 사용되었다. 하지만 마지막 4번째 발사에서 얻어진 데이터의 처리과정에서 절대밝기 변환에 문제가 있음을 알게 되었다. 절대밝기 동정은 발사전 실험실에서 수행했으므로 이미 관측이 끝나 망원경을 회수할 수 없는 상황에서 재측정은 불가능했다. 우리는 LRS에서 관측된 우리은하 내 밝은 별들을 측광하였고 이들 밝기와 다른 연구를 통해 알려진 밝기를 비교해 절대밝기를 검증할 수 있었다. 이 과정에서 총 105개의 우리은하 내 밝은 별들을 측광하였고 개개 별들에 대한 근적외스펙트럼을 얻을 수 있었다. 이 결과는 근적외선에서의 별의 기작 연구에 기여할 것으로 기대된다. 한편, 별의 밝기 비교를 통하여 우리는 3번째 발사에서 얻었던 절대밝기 동정결과를 4번째 발사의 데이터를 계측하는데 사용할 수 있었고, 최종적으로 0.8μm 부터 1.7μm 사이에서 근적외배경복사의 절대밝기를 성공적으로 측정하였다.

CIBER로켓에 실린 또 다른 두 대의 망원경은 이미징 카메라(Imager)로 각각 I와 H 밴드 필터가 장착되어 있다. 2도⨯2도의 넓은 시야를 가지고 있는 이들 망원경을 이용하여 근적외배경복사의 공간요동 관측을 수행하였다. 연구 결과 각도스케일 1도 이하에서 기존의 다른 연구들과 같이 근적외배경복사에 의한 공간요동을 보였다. 또한, 각도 스케일이 커짐에 따라 요동의 크기도 커지는 것으로 관측되었는데, 우리는 이것에 주목하여 더 큰 각도스케일 (> 1도) 에서 공간요동이 어떤 양상을 보일지에 대해 연구하였다. 본 연구를 위해 우리는 IRTS/NIRS 데이터를 사용하였고 2도부터 20도사이의 공간요동을 얻을 수 있었다. 기존의 다른 연구와 비교한 결과 근적외배경복사의 공간요동이 약 1도 부근에서 가장 크게 나타났고 그보다 더 큰 스케일에서는 일정하게 감소한다는 것을 밝혔다. 이 결과는 기존 연구에서 예측하지 못한 것으로 추후 더 다양한 파장과 각도스케일에서의 관측연구뿐만 아니라 근적외배경원을 설명하기 위한 새로운 모델의 필요성을 시사한다.