Title: Vesto Slipher and the First Galaxy Redshifts
ArXiv ID: 1108.4864
발행일: 2011-08-30
저자: Laird A. Thompson
📝 초록 (Abstract)
:
베스토 슬리퍼는 천문학에서 은하 적색편이를 최초로 신뢰성 있게 측정한 과학자 중 한 명이다. 그는 1900년대 초에 로웰 천문대에서 일하면서, 분광기와 사진 에멀션의 발전을 활용해 별과 성운의 스펙트럼을 연구했다. 특히 나선 은하의 빛을 측정하는 방법을 개발하고, 이를 통해 M31 같은 은하들의 도플러 편이를 측정할 수 있었다. 이러한 노력은 에딩턴과 같은 다른 천문학자들에게 영감을 주었고, 결국 마운트 윌슨 천문대에서 진행된 은하 적색편이 프로그램의 성공적인 수행에 기여했다.
💡 논문 핵심 해설 (Deep Analysis)
:
베스토 슬리퍼는 20세기 초 천문학 분야에서 혁신을 이끌어낸 핵심 인물 중 한 명이다. 그의 연구는 은하 적색편이 측정이라는 현대 우주론의 기초를 마련하는 데 중요한 역할을 했다.
1. 슬리퍼의 초기 연구와 분광기 개선
슬리퍼는 1901년 인디애나 대학교에서 천문학 학사 학위를 취득한 후, 로owell 천문대로 이직하여 새로운 분광기를 설치하고 운영하는 역할을 맡았다. 그의 초기 연구는 나선 성운의 스펙트럼 이해에 초점을 맞추었으며, 이를 위해 사용된 분광기는 1개 이상의 프리즘을 직렬로 연결해 사용할 수 있는 설계였다.
슬리퍼는 분광기의 개선 작업을 통해 빛 감지 능력을 향상시켰다. 특히, 카메라 렌즈를 f/2.5로 변경함으로써 노출 시간을 단축시키고, 화학 염료와 사진 에멀션에 대한 실험을 통해 분광기의 성능을 더욱 개선했다.
2. M31 은하의 도플러 편이 측정
슬리퍼는 1912년부터 M31 은하의 스펙트럼을 촬영하기 시작했다. 초기에는 결과에 만족하지 못했지만, 여러 번의 노력을 통해 결국 M31이 태양 방향으로 약 300km/s의 속도로 이동하고 있다는 결론을 도출할 수 있었다.
3. 나선 은하들의 도플러 편이 측정
슬리퍼는 이후 여러 나선 은하들에 대한 도플러 변이를 측정했다. 그의 연구 결과 중 가장 높은 속도를 보인 성운은 1800km/s의 도플러 편이를 가진 것이었다.
4. 슬리퍼의 방법론과 영향
슬리퍼의 분광학적 접근 방식은 널리 알려졌고, 마운트 윌슨 천문대에서도 그의 방법을 따랐다. 특히 W.B. 레이턴이 개발한 f/0.59 카메라 렌즈는 험슨에게 더 희미한 은하들의 적색편이를 측정할 수 있는 기회를 제공했다.
5. 슬리퍼의 연구와 현대 우주론
슬리퍼의 연구는 에딩턴과 같은 다른 천문학자들에게 영감을 주었고, 이로 인해 은하 적색편이에 대한 이해가 더욱 깊어졌다. 특히 레마이트는 슬리퍼의 데이터를 바탕으로 우주의 팽창을 제안했다.
결론
베스토 슬리퍼의 연구는 천문학에서 은하 적색편이 측정이라는 중요한 발전을 이끌어냈다. 그의 노력은 현대 우주론의 기초를 마련하는 데 중요한 역할을 했으며, 이후 천문학자들이 은하들의 속도와 위치에 대한 이해를 더욱 깊게 하도록 도왔다.
슬리퍼의 연구는 분광기 설계와 사진 에멀션의 발전을 통해 이루어졌으며, 이러한 기술적 진보가 없었다면 빠른 진전은 불가능했을 것이다. 그의 업적은 천문학에서 중요한 전환점이 되었고, 이후 우주론 연구에 큰 영향을 미쳤다.
📄 논문 본문 발췌 (Excerpt)
## 은하 적색편이 측정의 초기 발전
베스토 슬리퍼(Vesto Slipher)는 충분한 신호 대 잡음비(S/N)를 가진 은하 분광사진을 최초로 촬영하여 그들의 도플러 편이를 신뢰성 있게 측정할 수 있었습니다. 밀턴 허블(Milton Humason)이 에드윈 허블(Edwin Hubble)의 이름으로 어두운 은하의 적색편이 연구를 확장했음에도 불구하고, 마운트 윌슨 천문대의 천문학자들은 슬리퍼의 선구적인 노력 없이는 빠른 진전을 이루지 못했을 것입니다. 허블은 슬리퍼의 초기 분광학 연구의 중요성과 우선성에 완전히 인지하고 있었지만, 그의 스타일대로 대부분의 연구에 대한 독신적 신용을 주장했기 때문에 이 점을 강조하지 않았습니다.
건조한 사진 에멀션 이전에는 분광학이 시각적인 과학이었습니다. 윌리엄 허긴스 경(Sir William Huggins)의 1860년대 초반부터 시작되어, 분광기 내에서 스펙트럼 선이 식별되었고, 성운에 대해서는 방출선 객체(예: H II 영역 및 행성성 성운)와 약한 연속 스펙트럼을 보이는 것 사이의 구분이 이루어졌습니다. 1900년대 초까지 이러한 객체는 각각 “녹색"과 “흰색” 성운이라고 불렸습니다. 별이나 성운의 도플러 속도를 시각적으로 정확하게 측정하는 것은 작은 파장 변동으로 인해 불가능했습니다. 천문학자들이 사진 에멀션의 더 높은 감도성을 이해하면서, 도플러 편이 측정이 가능해졌습니다. 초기 천문학 분광기의 설계 방식 때문에, 별이 최초로 도플러 편이 측정의 대상이 되었습니다. 1800년대 후반에는 사진 분광학으로 별을 연구하는 것이 일반화되었고, “녹색” 성운도 탐지 및 연구되었습니다. 이 시점에 베스토 슬리퍼는 그의 경력을 시작했습니다.
슬리퍼의 업적과 그가 일했던 동기에 대한 훌륭한 설명은 호이트(Hoyt, 1980)의 베스토 슬리퍼 전기와 푸트넘(Putnam, 1994)의 로웰 천문대 역사에서 찾을 수 있습니다. 슬리퍼는 1901년 인디애나 대학교 메카닉 및 천문학 학사 학위를 취득한 후 바로 로웰 천문대로 이직하여 새로운 분광기를 설치하는 일을 맡았습니다. [그는 1909년에 인디애나 대학교로 돌아와 박사 학위를 받았습니다.] 새로운 분광기는 존 브래셔(John Brashear)가 유명한 기구 제조업체로부터 구매한 것으로, 슬리퍼는 이를 로웰 24인치 망원경에 장착하여 작동하도록 해야 했습니다. 퍼시벌 로웰(Percival Lowell)은 슬리퍼에게 금성 대기 회전 속도를 측정하기 위해 새로운 분광기를 사용하라는 첫 관측 프로젝트를 맡겼습니다. 슬리퍼는 1903년까지 이 프로젝트를 성공적으로 완료했습니다. 보스턴 사무실과 플래그스태프 천문대 간의 빈번한 서신 교환 덕분에 이러한 개발에 대한 기록이 남아 있습니다.
로웰은 나선 성운이 다른 태양계의 형성 초기의 단계라고 믿었기 때문에, 1906년부터 슬리퍼에게 나선 성운의 스펙트럼을 이해하는 프로그램을 맡겼습니다. 브래셔 분광기는 1, 2 또는 3개의 프리즘을 직렬로 사용할 수 있도록 설계되었으며(최고 분해력은 3개의 프리즘 사용 시), 긴 초점 길이의 분광기 카메라와 함께 f/14.2에서 작동했습니다. 오늘날 우리는 점원소와 확산된 원소의 속도가 분광기의 속도 측정에 있어 다르다는 것을 알고 있습니다. 브래셔 분광기(당시 다른 주요 천문대에서도 사용)는 별 스펙트럼과 고 밝도 “녹색” 성운을 감지할 수 있었지만, 은하와 같은 저 밝도 천체의 감지에 대해서는 거의 효과적이지 못했습니다.
슬리퍼는 나선 성운의 빛을 사진적으로 감지하는 방법에 대한 몇 가지 결론을 빠르게 도출했습니다. 그의 출판 논문과 퍼시벌 로웰과의 서신에는 다음과 같은 내용이 포함되어 있습니다. 첫째, 성운을 분광기 슬릿에 배치할 때, 밝은 중심 부분은 스펙트럼의 선명도를 높여줍니다. 둘째, 프리즘의 각도 및 위치를 조정하여 특정 파장 범위를 선택적으로 통과시킵니다. 셋째, 감지된 스펙트럼의 모양과 강도는 성운의 회전 속도에 따라 달라집니다.
슬리퍼의 스펙트로스코피 연구와 그 영향
[이전 부분에서 언급된 내용 이어서]
3개의 프리즘을 모두 사용할 경우, 슬릿 폭을 넓혀 속도의 저하를 보완할 수 있으므로 (주어진 속도 정확도에 한하여) 속도는 타협되지 않는다. 두 번째로, 나선 은하 표면의 균일한 밝기에 의존하는 스펙트로그래프의 속도는 카메라 렌즈의 f/비(초점 거리와 슬릿 이미지 크기의 비율)에 거의 완전히 의존한다. 스펙트로그래프 카메라는 노출 시간을 단축하기 위해 “빠른” 렌즈(작은 f/비)를 사용해야 한다. 마지막으로, 슬리퍼는 순수한 성운 분광학에 대해 속도의 감도가 망원경 개구부 크기와 망원경 f/비에 독립적이라는 결론을 올렸으며, 이는 사진 시대에는 엄밀히 사실이었지만 오늘날에는 다소 덜 정확하다.
오늘날 이러한 세 가지 결론은 잘 알려져 있다. 보엔(1952)은 팔로머 200인치 망원경을 위한 스펙트로그래프를 설명하면서 이 관계를 처음 대수적으로 표현했다. 보엔(1962)은 이러한 관계를 확장했다. 은하 중심은 순수한 “성운"이 아니므로, 적절하게 설계된 스펙트로그래프는 더 큰 망원경에서 더 잘 작동한다.
1910년까지 슬리퍼는 브래셔 스펙트로그래프를 개선하고 검증하며 나선 성운을 탐지하는 데 몰두했다. 그는 로웰에게 스펙트로그래프가 이전보다 100배 빠르게 작동한다고 보고했다. 1912년 말에는 개선된 요소가 200배 증가했다. 가장 큰 개선은 원래 f/14.2의 스펙트로그래프 카메라 렌즈를 f/2.5 렌즈(상업용 보이트렌더 렌즈)로 교체함으로써 이루어졌다. 높은 S/N 비율을 위한 은하 스펙트럼은 종종 사진 판에 여러 밤 동안 통합해야 했기 때문에(슬리퍼의 개선에도 불구하고), 이러한 수정 사항은 슬리퍼의 성공에 필수적이었다. 동시에, 그는 화학 염료와 사진 에멀션용 욕조 실험을 통해 속도를 향상시켰다. 또한, 그는 별의 속도 표준 별을 관찰하여 스펙트로그래프의 체계 오류를 이해하는 데 시간을 할애했다.
이러한 개선이 이루어지자, 슬리퍼는 1912년 9월 브래셔 스펙트로그래프를 로웰 24인치 회전 망원경에 장착해 M31에 대해 6시간 노출을 진행했다. 결과에 만족하지 못한 그는 1912년 11월 중순과 12월 초에 두 번의 추가 스펙트럼을 촬영했으며, 각 스펙트럼은 2밤 동안 통합되었다. 마침내 1912년 12월 28일, 그는 M31에 대한 3밤 노출을 시작했다. 핸드 크랭크 현미경 미세 측정기를 사용하여 네 개의 판을 측정한 후, 슬리퍼는 M31이 태양 방향으로 약 300km/s의 속도로 이동하고 있다고 결론지었다. 이 결과에 대해 퍼시벌 로웰은 슬리퍼에게 다른 나선 은하를 측정하도록 격려했다. 1914년 미국 천문학회 회의 시, 슬리퍼는 15개의 나선에 대한 도플러 변이를 보고할 수 있었다. 당시 그의 표본에서 가장 높은 속도를 보인 성운은 1100km/s의 양수 도플러 편이였다. 1917년 논문에서 슬리퍼는 25개의 나선에 대한 도플러 변이를 보고했다. 1921년 슬리퍼는 두 개의 고 적색편 스펙트럼을 발표했는데, 하나는 1300km/s, 다른 하나는 1800km/s의 도플러 속도를 보였다.
아서 에딩턴(1923)은 1920년대 초에 “수학 상대성이론"이라는 저서를 준비하면서 슬리퍼로부터 직접 목록을 받아 41개의 은하 도플러 변이를 자신의 제5장에 포함시켰다. 당시 다른 천문학자들도 슬리퍼의 측정을 확인했다. 이 중 4개의 나선은 태양을 향해 접근하고 있었다. 에딩턴(1923)은 속도의 분포를 논의하며 일반 상대성이론 맥락에서 이를 이해하려 노력했지만, 레마이트가 4년 후인 1927년에 한 것처럼 성공하지는 못했다.
슬리퍼의 스펙트로스코피 방법은 널리 알려졌고, 1920년대에 마운트 윌슨 천문대는 슬리퍼의 선구적인 접근 방식을 따라 빠른 스펙트로그래프 카메라를 사용하여 은하 적색편 프로그램에 활용했다.
