툴리-피셔 관계(Tully-Fisher relation)

툴리-피셔 관계(Tully-Fisher relation)

툴리-피셔 관계(Tully-Fisher Relation)는 R. 브렌트 툴리(R. Brent Tully)와 J. 리처드 피셔(J. Richard Fisher)가 1977년에 발표한 경험적인 관계입니다. 이 관계는 나선 은하의 고유 광도와 해당 은하의 속도폭(회전 속도 곡선의 폭) 사이의 관계를 나타냅니다. 고유 광도는 은하에서 방출되는 빛 에너지의 양을 의미하며, 은하와의 거리를 알 때 광도는 은하의 겉보기 밝기를 기반으로 측정할 수 있습니다. 속도폭은 분광학적 관측을 통해 얻은 스펙트럼선의 이동 정도나 폭으로 측정됩니다.

 

중입자 툴리-피셔 관계(Baryonic Tully-Fisher Relation)는 은하의 중입자의 질량을 고려한 관계입니다. 이 경우, 광도로부터 유추된 질량 값과는 반대로 중입자 질량을 고려합니다.

 

은하 질량과 거리 추정

툴리-피셔 관계는 은하의 질량을 추정하거나 은하와의 거리를 추정하는 데에 활용되는데 이 관계를 이용하면, 쉽게 관측할 수 있는 속도폭을 기반으로 어려운 고유 광도를 계산하고 이를 통해 은하와의 거리를 추정할 수 있습니다.

 

이러한 거리 추정 방법은 '2차 표준촉광'이라고도 알려져 있습니다. 툴리-피셔 관계는 주로 적외선 영역에서 적용되며, 이 영역에서 가장 정확한 값을 얻을 수 있습니다. 이는 적외선 영역에서 은하의 빛이 지구까지 도달하는 동안 성간물질에 의한 소광이나 편광 현상이 적기 때문입니다. 따라서 적외선 영역에서의 관측을 통해 더 정확한 은하의 광도와 회전속도를 측정할 수 있으며, 이를 통해 은하의 거리를 추정할 수 있습니다.

 

툴리-피셔 관계는 주로 나선 은하에 적용되며, 타원 은하에는 적용되지 않습니다. 타원 은하에는 대신 페이버-잭슨 관계나 기본평면과 같은 유사한 방법이 사용되므로 요약하자면, 툴리-피셔 관계는 나선 은하의 고유 광도와 속도폭 사이의 경험적인 관계를 설명하는데 사용되며, 은하의 질량 추정과 은하와의 거리 추정에 유용합니다.

 

이 관계를 통해 속도폭을 이용해 고유 광도를 계산하고, 거기서 은하와의 거리를 추정하는 '2차 표준촉광' 방법을 활용합니다. 이는 주로 나선 은하에 적용되며, 타원 은하에는 다른 방법들이 사용됩니다.

 

타원 은하에 적용되지 않는 이유

타원 은하에는 툴리-피셔 관계가 적용되지 않는 이유는 해당 관계의 원리와 타원 은하의 특성 사이에 불일치가 있기 때문입니다. 툴리-피셔 관계는 은하의 회전속도와 질량 사이의 관계를 활용하는데, 회전 속도가 없거나 불규칙한 타원 은하의 경우 이 관계를 적용하는 것이 적합하지 않습니다.

 

타원 은하는 일반적으로 나선 은하와 달리 회전하는 경향이 적거나 거의 없는 형태를 가지고 있습니다. 따라서 회전 속도를 측정하는 것이 어렵거나 정확한 결과를 얻기 어려운데, 툴리-피셔 관계는 회전 속도와 질량 사이의 밀접한 관련성을 전제로 하고 있기 때문에 타원 은하에는 적합하지 않습니다.

 

따라서 타원 은하의 거리를 추정하기 위해서는 다른 방법을 활용해야 합니다. 대표적으로는 페이버-잭슨 관계나 기본 평면 등의 다른 경험적인 관계를 활용할 수 있습니다. 이러한 방법들은 타원 은하의 특성과 더 적합한 관련성을 가지고 있어 거리 추정에 활용될 수 있습니다. 따라서 타원 은하에 대한 거리 측정을 위해서는 툴리-피셔 관계보다는 다른 방법들을 사용하는 것이 필요합니다.

 

2차 표준촉광 : 고유 광도의 속도 측정

광도와 속도폭 사이의 관계는 광도가 측정된 파장 길이의 함수로 나타나며 대략적으로 광도는 회전 속도의 네 제곱에 비례하는 경향이 있습니다.

 

툴리-피셔 관계를 통해 관측하기 어려운 고유 광도를 비교적 쉽게 관측 가능한 속도로부터 계산할 수 있습니다. 관측된 은하의 실시등급과 역제곱 법칙을 이용하여 대상 은하와의 거리를 추정하는 것이 가능합니다. 이러한 거리 측정 방법은 '2차 표준촉광'이라고 알려져 있습니다.

 

은하에서의 질량 추정

은하 내부의 항성 역학은 중력에 의해 조절됩니다. 따라서 은하의 회전 속도 곡선의 폭은 은하의 질량에 비례합니다. 툴리-피셔 관계는 광도가 일정한 은하의 질량과 회전 속도 곡선의 진폭이 일정한 총 중력적 질량 사이의 밀접한 관계를 직접적으로 관측하는 것입니다.

 

그러나 일반적인 회전을 하지 않는 타원 은하에 대해서는 툴리-피셔 관계가 적용되지 않습니다. 이 경우에는 페이버-잭슨 관계나 기본 평면과 같은 유사한 방법이 사용됩니다.

 

이 경험적인 관계의 존재에 대한 하나의 잠재적인 설명은 수정된 뉴턴 역학(MOND) 이론*이라고 불리는 이론이 있습니다.

 

 

수정 뉴턴 역학(Modified Newtonian Dynamics, MOND)는 뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙을 수정한 이론입니다.