오래된 별의 출생 증명서를 찾는데 기여한 허블우주망원경

 

 

그림 1> 이 사진은 우리 은하에서 그 연령이 비교적 제대로 측정된, 가장 오래된 별에 대한 DSS(Digitized Sky Survey) 사진이다.

이 늙은 별은 HD 140283으로 등재되어 있으며 거리는 190.1 광년 이다.

허블 우주 망원경은 이 별의 거리 측정에 내포되어 있는 불확실성을 줄이기 위해 사용되었으며 이 별의 연령을 좀더 정확하게 측정하여 그 연령폭을 145억살(플러스 마이너스 8억살)로 한정하는데 도움을 주었다.
이 별은 현재 우리 태양의 지근거리를 빠르게 지나가고 있다.

이 별은 오래된 별들이 몰려 있는 우리 은하의 헤일로부터 우리 은하 평면을 통과하는 공전궤도를 유지하고 있다.

이 사진은 앵글로-오스틀레일리안 천문대의 UK 슈미트 망원경이 촬영하였다.

 

 

The full news release story:

 

천체연구팀이 NASA 허블 우주망원경을 이용하여 우리에게 점점 가까워지고 있어, 아주 오랜시간 장수를 누리고 있는 별의 출생을 증명하는데 중요한 단계에 접어들고 있는 별을 촬영하였다.

 

팬실베니아 주립대학과 우주망원경 과학 연구소의 연구원인 하워드 본드(Howard Bond)는 "우리가 발견한 것은 비교적 정확하게 그 연령이 측정된, 우리에게 알려진 별들 중 가장 늙은 별이랍니다."라고 말했다.
 

이 별의 연령은 약 145억년으로(오차 플러스 마이너스 8억광년), 이는 얼핏 보아서는 현재 우주의 나이로 계산된 138억년을 훨씬 상회하는 연령인데, 따라서 이는 명백한 딜레마가 되는 셈이다.

그러나 2천여곳을 거슬러 올라간 이 별의 초기 관측자료에서 측정한 이 별의 연령은 무려 160억 광년에 달하는 상태였다.

이러한 연령 범위는 우주론에 대해서 잠재적인 딜레마가 되고 있다.

본드의 의견은 다음과 같다.
"우주론이 잘못되었거나 이 별의 물리적 특성에 대한 측정이 잘못되었거나 그도 아니라면 이 별까지의 거리가 잘못 측정 된 것일 겁니다. 
그래서 우리는 이 거리를 다시 측정했답니다."

 

허블을 이용한 새로운 연대 측정은 이전 측정에서 보인 불확실성의 범위를 감소시켰고, 그 결과 이 별의 연령은 우리 우주의 연령과 거의 겹치는 상태이다. - 이는 우주의 팽창률, 빅뱅으로 발생한 마이크로파 배경 복사에 대한 분석과 방사성 붕괴 측정을 각각 독립적으로 측정하여 결정된 것이다.

이 '므두셀라 별'은 HD 140283으로 등재되어 있는데, 하늘에서 워낙 빠른 속도로 움직이고 있어 1세기 전부터 이미 알려져 있는 별이다.

이와 같이 빠른 속도는 이 별이 우리의 지근 거리를 지나가고 있는 별이라는 증거가 된다.

 

이 별은 우리 은하를 감싸고 있는 헤일로로부터 우리 은하 평면을 통과하는 움직임을 보여주고 있으며 궁극적으로는 헤일로로 다시 돌아가게 될 것이다.

이 별이 멀리 헤일로로부터 와서 다시 돌아갈 것이라는 사실은, 이 별이 우리 은하에 위치하는 주변의 별들에 비해서 무거운 원소들이 결핍되어 있음을 측정했던 1950년대의 천문학자들의 연구 결과에 의해 뒷받침 되고 있다.

 

헤일로의 별들은 우리 은하의 첫 세대를 구성하는 별들 중 하나이며 나중에 은하 원반에서 생성된 우리 태양과 같은 별들보다 훨씬 오래된 별들이라는 공통점을 가지고 있다.

이는 이 별이 생성되는 시기는 별들이 내부에서 핵융합을 통해 무거운 원소들을 만들어 내어 우리 우주를 이 무거운 원소들로 오염시키기 훨씬 전이라는 사실을 의미한다.(므두셀라 별은 우리 태양이나 태양 주변에 위치하는 이웃 별들보다 1/250 정도로 무거운 원소들이 빈약한 수준이다.)

 

천칭자리에서 적색 거성으로 팽창하는 초기 단계에 있는 이 별은 밝기 등급 7등급으로 쌍안경으로도 관측이 가능하다.

 

사진 2>  이 사진은 HD 140283 로 등재된, 190.1광년 거리의 고대 별과 그 주변을 함께 보여주고 있다.

 

 

허블의 뛰어난 관측 능력은 이 별까지의 거리를 재측정하는데 쓰였는데, 그 거리는 약 190.1 광년에 해당하는 것으로 확인되었다.

 

본드와 연구팀은  삼각측량 시차법을 이용하여 거리 측정을 수행하였다.
이는 관측자의 위치가 달라지면서 별의 위치가 다르게 보이는 현상을 이용한 것이다.

이번 연구 결과는 3월 1일 Astrophysical Journal 에 게재되었다.

 

근거리에 위치하는 별들의 시차는 지구가 공전궤도 상에서 정반대에 위치하는 때 각각 관측한 자료를 통해 계산될 수 있다.

그리고 그 별까지의 거리는  삼각함수 계산에 의해 정확하게 계산될 수 있는 것이다.

 

 

그림 1> 상대적으로 우리 태양과 가까이 위치하고 있는 별의 거리는 삼각측량 시차법을 이용하여 측정할 수 있다.

이러한 측량 방법은 그림 상단 오른쪽에 보이는 바와 같이 훨씬 멀리 떨어져 있는 별에 비해 가까이 있는 별이 훨씬 더 많은 움직임을 보이기 때문에 가능한 것이다.

이를 위해 필요한 관측 자료는 그림 하단 왼쪽에 보이듯이 지구가 태양을 중심으로 정반대에 위치할 때 관측한 두 개의 관측자료이다.

허블 우주망원경은 아주 작은 각이동을 보이는 별까지도 정확하게 측정할 수 있다.

지구의 공전궤도 지름이 제공하는 기선을 이용하여 상쇄값을 계산하면 정확한 거리가 계산된다.

토지측량 기사들이 주로 이 삼각측량 기법을 사용하곤 한다.

 

 

한번 그 거리를 알게 되면 그 별의 정확한 고유 밝기 역시 계산될 수 있다.

그리고 그 별의 고유 밝기는 별의 연령을 측정하는데 기본이 되는 필수조건인 것이다.

 

허블 우주망원경 이전에는 유럽우주국의 히파르쿠스 외성을 통해 별의 시차를 측정하였는데 히파르쿠스 위성을 통한 측정은 20억년 정도의 불확실성을 가지고 있었다.

 

허블우주망원경에 탑재되어 있는 3개의 정교한 유도 센서 중 하나를 이용하여 이 무두셀라 별의 위치를 측정하였다.

그리고 이 별의 시차는 히파르쿠스 위성의 측정 자료와 거의 차이가 없음이 판명되었다.

그러나 허블망원경의 측정 자료는 히파르쿠스 위성의 자료보다 5배의 정밀도를 가지고 있었다.

이로인해 본드와 연구팀은 불확실성을 크게 줄일 수 있었고 그 결과 이 별의 연령 측정 자료는 5배 이상 정확한 자료가 된 것이다.

별의 밝기에 대한 좀더 향상된 자료와 함께 본드와 연구팀은 별의 연료 소진율과 화학성분의 분포, 그리고 내부 구조에 대한 최신 이론들을 적용하여 이 별의 연령을 다시 측정하였다.

새로운 이론은 별의 중심부 깊숙히 퍼져 있는 헬륨의 잔여량과 핵융합을 통해 수소가 고갈되어 가는 양상에 대한 것이다. 

이 이론이 의미하는 바는 연료를 빨리 소진하면 할수록, 그 별은 어린 별이라는 사실을 의미한다.

또한 이 별은 예상보다 훨씬 높은 비율로 산소가 철로 전환되고 있었는데, 이는 이 별의 연령이 예상보다 훨씬 적다는 것을 의미했다.

본드는 이 별의 산소 원소를 좀더 측정함으로써 이 별의 연령을 좀 더 낮출 수 있을 것으로 생각하고 있다.
왜냐하며 이 별이 생성될 당시는 이 우주에 산소가 좀더 풍부하게 존재했던 때보다는 약간 나중일 것이라고 추측하고 있기 때문이다.

이 별의 연령 상한을 이렇게 낮춰나가다보면 이 별은 명확히 우주보다 어린 나이로 판명될 것이다.

본드의 의견은 다음과 같다.
"이 별의 모든 구성 성분을 함께 모아 내 본 결론은 이 별의 연령이 145억년이라고 얘기하고 있죠..

하지만 이는 여전히 어느 정도의 불확실성을 내포하고 있는 측량치이고 그러다보니 이 별의 연령이 우주의 나이와 모순 상태에 있는 거랍니다.
이 별은 그 밝기와 근접성으로 볼 때 정확하게 그 연령을 측정할 수 있는 최적의 관측 대상이라고 생각합니다."

이 므두셀라 별은 오랜 생명을 유지하는 동안 수많은 변화를 보여왔다.

이 별은 아마도 원시 왜소 은하에서 탄생했을 것이다.

그리고 이 원시 은하는 결국 120억년 전 우리 은하의 강력한 중력장에 빨려들었을 것이다.

 

이 별은 이 사건이 발생할 당시 길쭉하게 늘어난 공전궤도를 여지껏 유지하고 있다.

그래서 우리 태양 주변을 지나고 있는 이 별은 시속128만 킬로미터라는 로켓과 같은 속도로 지나가고 있다.

이러한 속도는 하늘에서 보름달 정도 영역에 해당하는 영역을 고작 1500년만에 주파할 수 있는 속도이다.

이 별의 고유운동이 보여주는 각속도가 아주 빠르기 때문에(시간당 0.13밀리아크초) 허블이 이 별을 촬영해낼 수 있는 시간은 고작 몇 시간정도에 지나지 않는다.

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 3월 7일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

This is a Digitized Sky Survey image of the oldest star with a well-determined age in our galaxy. The aging star, cataloged as HD 140283, lies 190.1 light-years away. Hubble Space Telescope was used to narrow the measurement uncertainty on the star's distance, and this helped refine the calculation of a more precise age of 14.5 billion years (plus or minus 800 million years).

The star is rapidly passing through our local stellar neighborhood. The star's orbit carries it through the plane of our galaxy from the galactic halo that has a population of ancient stars. The Anglo-Australian Observatory (AAO) UK Schmidt telescope photographed the star in blue light.

Object Name: HD 140283

Image Type: Astronomical

 

Credit: Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

 

사진 2>

ABOUT THIS IMAGE:

This is a backyard view of the sky surrounding the ancient star, cataloged as HD 140283, which lies 190.1 light-years from Earth.

Image Type: Astronomical/Illustration

 

Credit: A. Fujii and Z. Levay (STScI)

 

그림 1>

ABOUT THIS IMAGE:

Distances to stars comparatively near to our Sun can be measured using trigonometric parallax. This can only be done if the star is close enough to show an apparent shift in position relative to much farther background stars, as seen at upper right. This requires viewing the star on two occasions, when Earth is at opposite sides of the Sun (seen at lower left). The Hubble Space Telescope can then precisely measure the very small angular displacement of the star between observations. When the offset value is combined using geometry with the value for Earth's orbital diameter, a precise distance can be calculated. Land surveyors commonly use this triangulation technique.

Image Type: Illustration

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI) 

 

 

The full news release story:

A team of astronomers using NASA's Hubble Space Telescope has taken an important step closer to finding the birth certificate of a star that's been around for a very long time.

"We have found that this is the oldest known star with a well-determined age," said Howard Bond of Pennsylvania State University in University Park, Pa., and the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md.

The star could be as old as 14.5 billion years (plus or minus 0.8 billion years), which at first glance would make it older than the universe's calculated age of about 13.8 billion years, an obvious dilemma.

But earlier estimates from observations dating back to 2000 placed the star as old as 16 billion years. And this age range presented a potential dilemma for cosmologists. "Maybe the cosmology is wrong, stellar physics is wrong, or the star's distance is wrong," Bond said. "So we set out to refine the distance."

The new Hubble age estimates reduce the range of measurement uncertainty, so that the star's age overlaps with the universe's age — as independently determined by the rate of expansion of space, an analysis of the microwave background from the big bang, and measurements of radioactive decay.

This "Methuselah star," cataloged as HD 140283, has been known about for more than a century because of its fast motion across the sky. The high rate of motion is evidence that the star is simply a visitor to our stellar neighborhood. Its orbit carries it down through the plane of our galaxy from the ancient halo of stars that encircle the Milky Way, and will eventually slingshot back to the galactic halo.

This conclusion was bolstered by the 1950s astronomers who were able to measure a deficiency of heavier elements in the star as compared to other stars in our galactic neighborhood. The halo stars are among the first inhabitants of our galaxy and collectively represent an older population from the stars, like our Sun, that formed later in the disk. This means that the star formed at a very early time before the universe was largely "polluted" with heavier elements forged inside stars through nucleosynthesis. (The Methuselah star has an anemic 1/250th as much of the heavy element content of our Sun and other stars in our solar neighborhood.)

The star, which is at the very first stages of expanding into a red giant, can be seen with binoculars as a 7th-magnitude object in the constellation Libra.

Hubble's observational prowess was used to refine the distance to the star, which comes out to be 190.1 light-years. Bond and his team performed this measurement by using trigonometric parallax, where an apparent shift in the position of a star is caused by a change in the observer's position. The results are published in the March 1 issue of the Astrophysical Journal Letters.

The parallax of nearby stars can be measured by observing them from opposite points in Earth's orbit around the Sun. The star's true distance from Earth can then be precisely calculated through straightforward triangulation.

Once the true distance is known, an exact value for the star's intrinsic brightness can be calculated. Knowing a star's intrinsic brightness is a fundamental prerequisite to estimating its age.

Before the Hubble observation, the European Space Agency's Hipparcos satellite made a precise measurement of the star's parallax, but with an age measurement uncertainty of 2 billion years. one of Hubble's three Fine Guidance Sensors measured the position of the Methuselah star. It turns out that the star's parallax came out to be virtually identical to the Hipparcos measurements. But Hubble's precision is five times better than that of Hipparcos. Bond's team managed to shrink the uncertainty so that the age estimate was five times more precise.

With a better handle on the star's brightness Bond's team refined the star's age by applying contemporary theories about the star's burn rate, chemical abundances, and internal structure. New ideas are that leftover helium diffuses deeper into the core and so the star has less hydrogen to burn via nuclear fusion. This means it uses fuel faster and that correspondingly lowers the age.

Also, the star has a higher than predicted oxygen-to-iron ratio, and this too lowers the age. Bond thinks that further oxygen measurement could reduce the star's age even more, because the star would have formed at a slightly later time when the universe was richer in oxygen abundance. Lowering the upper age limit would make the star unequivocally younger than the universe.

"Put all of those ingredients together and you get an age of 14.5 billion years, with a residual uncertainty that makes the star's age compatible with the age of the universe," said Bond. "This is the best star in the sky to do precision age calculations by virtue of its closeness and brightness."

This Methuselah star has seen many changes over its long life. It was likely born in a primeval dwarf galaxy. The dwarf galaxy eventually was gravitationally shredded and sucked in by the emerging Milky Way over 12 billion years ago.

The star retains its elongated orbit from that cannibalism event. Therefore, it's just passing through the solar neighborhood at a rocket-like speed of 800,000 miles per hour. It takes just 1,500 years to traverse a piece of sky with the angular width of the full Moon. The star's proper motion angular rate is so fast (0.13 milliarcseconds an hour) that Hubble could actually photograph its movement in a few hours.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Barbara Kennedy
Pennsylvania State University, Space Park, Pa.
814-863-4682
science@psu.edu

Howard Bond
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md., and
Pennsylvania State University, Space Park, Pa.
410-561-0571
bond@stsci.edu