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Week 6: Learning from data: classification
제6주차: 자료에서 정보 얻어내기(자료분류)
- Using machine learning tools to classify your data
수집한 자료를 분류하기 위해 기계학습 도구(분석 소프트웨어)를 활용하기
- Investigating different types of galaxies
서로다른 종류의 은하 찾기
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1강: 관측 자료 분류(Classification)-----------------------------------------------------------------
Lesson 1: Learning from Data: Classification / 한글자막
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2강: 은하의 형태 종류
Lesson 2: Types of Galaxies / 한글자막 / 영문자막[강의대본]
[00:04] 천여년 전에 페르시아의 천문학자 아브 알 라만 알 수피( Abd al-Rahman al-Sufi)가밤하늘에서 확장된 구조의 천체를 관측 했는데 지금은 안드로메다 은하라고 알고 있는 작은 구름 이었다.
[참고] "우리은하 파노라마 사진"
[00:16] 수세기가 지나는 동안 더많은 이런 구름들이 발견되었으나 천문학자들이 그것이 우리은하 내에 있는 단순한 천체가 아니라고 확신을 세우기까지 9백년이 걸렸다. 이런 천체들은 모두 외계은하 였던 것이다. 점점더 많은 은하들이 발견되자 특히 19세기에서 20세기에 천문학자들은 매우 다양한 외형 혹은 형태학적 특징(morphology)을 가진 은하들을 발견했다.
[00:41] 어떻게 은하들이 형성되고 진화해 나가는지 이해하는 첫걸음으로 천문학자들은 비슷한 외형을 가진 은하들끼리 묶어 분류하기 시작했다. 형태학적 분류 도해(Morphological Classification Scheme)를 만들기 위해서였다.
[00:52] 그중 가장 유명한 것으로 허블 소리굽쇠(분류도 모양에서 기인된 명칭임)다. 허블은 은하들은 두가지로 분류 했는데 타원은하(Elliptical)와 나선(Spiral)은하 였고 그 중간 형태로 S0 급이라 명명한 배흘림(lenticular,렌즈형)은하가 있다. 타원형과 배흘림형 은하를 합쳐 은하의 초기형이라고 알려졌다. 단지 그 외양이 아주 단순했기 때문에 그렇게 이해했다. 그리고 나선 은하는 은하의 후기형이라고 알려졌다. 그 구조가 아주 복잡해 보였기 때문이다.
[01:17] 타원은하(Elliptical Galaxy)는 완만하고 구형(Spherical)의 외양을 가졌고 중심부에 소규모 개체들의 뭉치(구조물, structure)을 가지고 있다. 타원은하들은 구형의 볼록(bulge)한 모습이 대부분이며 확연한 원반(disk)을 찾아볼 수 없다. 타원은하는 다시 겉모습의 납작한 정도에 따라 세분화 된다. 원형에 가까운 은하를 E0급으로 놓고 E7급은 가장 가늘고 길게 늘어진 은하로 두었다.
[01:39] 은하 분류표에서 가장 오른쪽에 놓인 Sd 급의 은하들은 근본적으로 ... 확연한 원반으로 중심부에 눈에 띄게 중심이 볼록하지 않다. 나선은하(Spiral Galaxy)는 한결같이 나선 팔을 가졌음을 보여주는데 하지만 측면에서 보면 팔을 보기는 어렵다. 허블의 소리굽쇠 도를 역으로 따라가보면 나선은하를 정면에서 봤을 때 중심의 볼록함이 점점 증가하고 팔의 간극이 좁아지는 것을 볼 수 있다.
[02:06] 배흘림형(Lenticular, 렌즈형) S0 급 은하는 나선은하와 타원은하의 공통점을 가지고 있다. 흘림 은하들은 볼록함(bulge)이 두드러지고 원반도 확실하게 보인다. 하지만 나선팔은 없다.
[02:17] 많은 은하의 중심부에 길쭉한 사각형 구조를 볼 수 있는데 우리는 이것을 막대(bar) 라고 부른다.
[02:22] 배흘림 은하와 나선은하 모두 막대를 가지고 있거나 없는 경우도 있다.
[02:31] 그리고 끝으로 불규칙(Irregular) 급 은하도 있다. 이런 불규칙한 모양의 은하들은 앞서 기술한 어느 은하에도 속하지 않는다. 불규칙 은하들은 주로 질량이 낮은 은하들인데 매우 무질서한 구조로 극히 비대칭한 모습이다.
[02:42] 흔치 않는 부류로 충돌(merging)은하가 있는데 두개의 은하가 서로 충돌하는 과정에 있다. 아주 극적인 외형을 보여준다.
[02:53] 그럼 이렇게 은하를 구분하는데 공을 들이는 이유는 뭘까? 원반(disk)과 중심볼록(bulge)은 매우 상이한 과정을 거쳐 형성되었다고 여겨졌다. 어떤 은하는 주로 중심볼록을 가지고 어떤 은하는 원반을 가지게 되었는지 혹은 그 둘이 혼재하는지 이해하려면 그것들이 어떻게 형성되었는지 알면 된다.
[03:09] 원반(Disk)은 대부분 공전하는 별들로 구성되었기에 우리가 나선 은하에서 보듯이 평평한 원형이 되었다. 이들 별들의 원반들이 수십억년에 걸쳐 가스 원반에서 자연스럽게 형성되었다고 본다.
[03:25] 제멋대로 궤도(random orbits)를 가진 별들로 구성된 중심볼록(Bulge)이 구형의 모습을 하게되었다. 중심볼록은 아마도 두개 이상의 은하가 충돌(merge)하여 형성되었을 것으로 보는데 원반 은하에서 내부 동역학 과정(충돌로 인해 중심의 별들의 궤도가 불규칙해짐)에 의한 것이다. 혹은 우주 초기에 거대한 가스구름의 붕괴로 형성된 것일 수 도 있다.
[03:43] 아마도 눈치 챘겠지만 나선은하와 타원은하는 단지 구조상의 차이만 있는게 아니라 그들의 색깔에도 차이가 난다. 나선은하는 청색이 압도하는 반면 타원은하와 배흘림 은하는 적색과 황색이 주를 이룬다.
[03:57] 은하의 색깔은 그 은하에 속해있는 별들의 평균 나이를 말해준다. 무거운 별 일수록 매우 뜨겁고 청백색을 띈다. 하지만 이런 별들은 그들의 가진 연료를 매우 빠르게 소모하고 수백만년 이내에 소멸한다. 저질량 별일 수록 매우 오랫동안 유지되는데 좀더 차갑고 더 붉다. 따라서 청색 나선팔 은하는 최근에 태어난 뜨겁고 무거운 별들로 구성되었고 새 별들이 활발하게 만들어지고 있다. 반면 주로 차가운 별들로 구성된 타원 은하는 붉은 색을 띄며 묵은별들로 새로운 별들이 만들어지지 않은지 십억년이 지났다.
[04:34 별들뿐만 아니라 나선 은하들도 별이 만들어질 연료인 엄청난 가스와 별 형성의 산물인 먼지를 포함하고 있다. 반면 타원은하들은 아주 작은 양의 가스와 먼지를 가지고 있다. 연료와 자재의 부족으로 타원은하에 젊은 별이 많지 않은 이유다.
[04:50] 허블의 소리굽쇠는 은하 분류의 지표로 폭넓게 사용되고 있다. 하지만 아주 심각한 한계를 드러내고 있다. 은하가 측면에 가깝게 볼 수록 나선 팔의 존재를 판단하기 아주 어렵다. 따라서 형태적 분류만으로는 나선 은하와 배흘림 은하를 구분짖기가 어려울 수 있다.
[05:08] 비슷한 이유로 정면에서 봤을 때 원반(disk)과 중심볼록(bulge)을 구분하기 어렵기 때문에 그 은하가 타원 은하인지 배흘림 형인지 결정하기 곤란하다.
* 형태적 분류의 한계는 멀리있는 은하의 희미한 2차원 영상의 한계다. 우리 은하내의 성운 성단의 3차원 영상을 만드는 수준에 있다.
[05:17] 최근 천문학자들은 막대(bar)는 상대적으로 오래가지 못하는 구조라고 믿고 있다.(별들이 은하주위를 빠른 속도로 공전하고 있다. 따라서 막대는 쉽게 무너져 원반형이 된다.) 막대가 존재하던 안하던 물리적인 차이는 거의 없다. 가장 중요한 점은 허블 은하 분류도가 물리적 동기에 기반한 것이 아니다.
[05:30] 그리고 분류도를 따라가기가 특징의 연속성을 보여주는 것도 아니고 은하의 시간적 진화 단계를 나타내는 것도 아니다.(허블 순서도, Hubble Sequence 라고 부르는 것은 잘못이다.)
[05:37] 천문학 연구를 통해 은하의 형성의 물리학적 과정에 더 접근시키고자 노력하고있다.
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Galaxies - test your understanding
Quiz, 5 questions
Question 1
What type of galaxy contains large clouds of gas and dust, both young stars and old stars, but has no obvious spiral arms or nucleus?
(c)
a) E7
b) Sa
c) Irregular.
d) S0
Question 2
What type of galaxy consists primarily of old stars with very little cool gas and dust?
(a)
a) Elliptical.
b) Peculiar.
c) Irregular.
d) Spiral.
Question 3
Why do spiral galaxies generally appear bluer than elliptical galaxies?
(a)
a) Spirals contain more gas and dust and hence more young stars.
b) Ellipticals contain more gas and dust and hence their starlight suffers more scattering of blue light.
c) Ellipticals are more distant and the starlight undergoes a larger redshift.
d) Spirals contain more older stars than ellipticals.
Question 4
Why does the bulge of a spiral galaxy appear yellowish in colour?
(b)
a) All the blue starlight is scattered away by dense clouds of gas and dust within the bulge.
b) The light of the bulge is dominated by older stars.
c) The light of the bulge is dominated by emission from clouds of gas.
d) The light of the bulge is dominated by the youngest and hottest newly formed stars.
Question 5
Which of the following is not a characteristic of stars in the disk of our Galaxy?
(c)
a) Young stars.
b) Circular orbits.
c) Randomly inclined orbits.
d) Star formation regions.
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