행성의 파편으로 오염된 백색왜성

 

 

그림 1> 이 그림은 백색왜성이라 불리는, 연료를 모두 태워버린 별과 별 주변에 생존한 행성계에 의해 남겨진 암석질 잔해의 원반을 묘사한 것이다.

오른쪽 아래로 죽은 별을 둘러싸고 있는 토성 고리와 같은 원반을 향해 추락하는 소행성이 보인다.

추락하는 소행성들은 백색왜성의 대기를 실리콘으로 오염시키게 된다.

실리콘은 백색왜성에서는 발견되지 않지만 암석질 행성을 구성하는 주요 성분에 해당한다.

이처럼 '행성 화학'은 백색왜성의 조상 별이 지구와 같은 물질들로 구성된 행성들을 가지고 있었고,

이러한 행성들은 별 주위에 일반적으로 존재하는 것이라는 사실을 도출하는데 적용될 수 있다.
이러한 화학적 지문은 허블우주망원경의 COS(Cosmic Origins Spectrograph)에 의해 식별이 가능하다.

이 별은 허블우주망원경이 히아데스 성단에서 관측한 두 개의 백색왜성중 하나에 대한 상상화이며 지구로부터 150광년 거리에 위치하고 있다.

 

The full news release story:

NASA의 허블 우주망원경이 백색왜성이라 불리는, 다 타버린 한 쌍의 별들의 대기라는 예상치 못한 장소에서

지구와 같은 행성을 만들어내는 소재를 발견해냈다. 

이 왜성들은 자신에게 무수히 떨어져내리는 소행성 크기의 파편들에 잠겨 있는 상태이다. 

전문가들은 이번 발견이 별들에게 있어 암석질 행성의 생성은 일반적으로 일어나는 사건임을 보여준 것이라고 평가하고 있다.

 

이 백색왜성들은 황소자리, 히아데스 성단에 위치하고 있으며 그 거리는 150광년이다.

이 성단은 상대적으로 어린 성단에 속하는데 그 연령은 고작 6억 2천 5백만년밖에 되지 않았다.

 

허블의 분광 관측기는 이 백색왜성들의 대기에서 실리콘의 존재를 식별해냈는데, 실리콘은 지구나 태양계 내의 다른 암석질 행성을 구성하고 있는 암석질 물체의 주요 재료이기도 하다.

이 실리콘은 이 왜성들에 너무나 가깝게 다가가게 되어 결국 이 백색왜성들의 중력에 끌려 떨어진 소행성들로부터 나오는 것으로 보인다.

암석질 파편들은 백색왜성들 주변으로 고리를 형성하기도 하고, 별의 잔해속으로 쓸려들어가기도 하는 것으로 보인다.

백색 왜성을 휘감고 있는 물질들은 이 별들이 탄생했을 당시, 지구형 행성이 존재하고 있었음을 말해주고 있다.

별이 백색왜성으로 붕괴되고 난 후 살아 남은 거대한 가스상 행성들은 별의 지근거리를 스치는 공전궤도를 가진, 남겨진 소행성들에게는

중력적인 혼동을 야기하는 존재가 되는지도 모른다.

월간 왕립 천문학회지, 5월 2일자에 발표된 이번 논문의 수석 저자이자 캠브리지 대학의 제인 파리하이(Jay Farihi)의 소감은 다음과 같다.
"우리가 찾아낸 것은 암석질 행성을 구성하는 레고 블럭의 화학적 증거에 해당한답니다.
이 별들은 처음 탄생했을 때, 행성들을 만들어 냈고, 그들 중 일부가 운좋게도 현재까지 남아 있는 것이죠.
우리가 이번에 찾아낸 물질들이 바로 이들에 대한 증거품들이죠.
이 파편들은 우리 태양계에서 암석질 행성을 구성하고 있는 가장 중요한 성분과 같은 성분을 가지고 있답니다."

 

천문학자들은 별들이 주로 성단 내에서 태어난다고 믿고 있다.

그러나 우리 태양계 너머에서 발견된 행성들 중에서는 아주 소수만이 성단내를 공전하고 있는 별 주변에서 발견되었다.

파리하이는 이처럼 성단 내의 별들에서 행성을 찾기가 더 어려운 것은, 이 행성들을 감지해 내기 위해 필요한 정확한 측정 작업들이 더 어렵기 때문이라고 말하고 있다.
왜냐하면 성단 내의 별들은 일반적으로 어린 별들이고 더 왕성한 활동성을 갖고 있어 거대한 폭발과 화염들을 뿜어내기 때문이다.

그래서 이 연구팀은 이미 은퇴한 성단의 별들을 탐색하게 되었다.

 

 

 

사진 1> 히아데스 성단은 가장 가까이 위치하는 산개 성단으로서, 지구로부터 150광년 거리에 위치하고 있다.

이 사진은 지상에 위치한 DSS(Digitized Sky Survey)에 의해 붉은색, 파란색 필터로 촬영한 후 이를 조합한 사진이다.

허블 우주망원경의 COS는 이 성단에 있는 두 개 백색왜성의 스펙트럼을 연구하는데 사용되었다.

 

 

파리하이의 설명은 다음과 같다.
"허블 우주망원경을 이용하여 백색 왜성의 대기를 분석하는 것이 암석질 행성의 화학적 신호를 찾는데,

그리고 이들의 구성성분을 결정하는데 최선의 방법이라 생각합니다.
일반적으로 백색 왜성은 백지와 같은 상태의 별이라 할 수 있죠. 여기에는 그저 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소들만이 존재합니다.
실리콘이나 탄소와 같은 무거운 원소들은 중심으로 가라앉아 버린 천체죠."

 

히아데스 별들의 대기에서 실리콘을 찾아낸 것 외에 허블 우주망원경은 낮은 수준의 탄소도 감지해 냈는데, 이는 암석질 천체에 대한 또다른 증거가 된다.

천문학자들은 탄소가 지구와 같은 암석질 물질에서 모두 고갈되었거나 존재하지 않을 것으로 예상하곤 한다.

탄소는 천문학자들이 백색왜성으로 쏟아져내리는 행성 부스러기들의 속성과 기원을 결정하는데 도움을 줄 수 있는 핵심 원소이다.

탄소의 존재는 오직 자외선에서만 그 흔적을 남기며 이러한 흔적은 지상에 위치한 망원경으로는 감지해낼 수 없다.

이러한 화학적 신호를 잡아내는데는 허블의 COS(Cosmic Origins Spectrograph)가 필수적으로 필요한 것이다.

 

파리하이의 설명이 이어진다.
"백색왜성의 오염을 분석하는 기술은 다른 어떤 행성 탐지 기술로는 달성할 수 없는 하나의 기술을 주는데 그것은 바로 고체 행성의 화학성분에 대한 것입니다.
예를 들어 저희의 연구에서는 실리콘과 탄소의 구성비를 근거로 하여, 이 물질들이 실제 지구와 같은 물질들로 구성되었다고 말할 수 있는 거랍니다.
만약 당신이 이 물질들을 어떤 어린이나 또는 어떤 어른들의 손에 쥐어주고 '이게 무엇인가요?' 하고 물으면 누구든지간에 '이건 돌맹이입니다.'라고 대답을 할 것입니다.
이런 대답을 하는데 과학자일 필요는 전혀 없는 것이죠.

이 물질들이 이미 우리에게는 너무나 친숙해서 이 물질이 무엇인지를 이미 정확하게 알고 있는 것이죠."

 

파리하이는 지름 160킬로미터 이하의 소행성들은 백색왜성의 강력한 중력조석 작용에 의해 찢겨질 것이라고 생각하고 있다.

이렇게 분쇄된 물질들은 결국은 백색 왜성으로 떨어지기 전까지 주위의 고리를 형성하게 될 것이다.

파리하이는 물질들이 백색왜성에 비처럼 쏟아져 내리게 만드는 요소로 중력 외에 다른 요소는 생각하기 어렵다고 말했다.

 

연구팀은 백색왜성들에 쌓여 있는 먼지들의 양을 측정함으로서 각 소행성들의 크기를 계산하였는데,
백색왜성에 쌓이는 먼지는 초당 1천만 그램으로서 이는 작은 규모의 강물이 쏟아져내리는 것과 유사한 규모로 볼 수 있다.

연구팀은 또한 이 데이터를 다른 백색왜성에 쏟아져 내리는 물질들의 측정치와 비교하였다.

 

이번 히아데스 연구는 50억년 후 우리 태양이 연료를 모두 소진한 후 어떤 일이 일어날지에 대한 통찰을 우리에게 제공해주고 있다.

우리 태양 역시 수소 연료를 모두 소진하게 되면 적색 거성으로 부풀어 오르면서 수성과 금성을 삼켜버리게 될 것이다.
아마도 우리 지구도 삼키게 될지 모른다.

그리고 태양이 자신의 외곽 표피를 분출하기 시작하면서 질량을 잃게 된다.

태양과 목성간의 중력 평형이 변화되면서 소행성 벨트에는 일대 혼란이 발생하게 된다.

어떤 소행성들은 태양과 너무 가까이 위치하게 되어 방향이 바뀌게 되고, 파괴되게 된다.

그 파괴의 결과 생성된 파편들이 죽은 태양의 주변에 고리를 형성하게 될텐데

바로 이 모습이 지금 히아데스 성단의 백색왜성 주변에 형성된 고리와 비슷한 모습인 것이다.

 

이 두개의 '오염된' 백색왜성들은 영국 워릭 대학교의 보리스 갠지케(Boris Gänsicke)가 이끄는 100여 개의 백색왜성 주변의 행성 파편에 대한 연구의 일환으로 진행된 것이다.

연구팀의 일원인 독일 키엘 대학교의 데트레프 코스터(Detlev Koester)는 복잡한 컴퓨터  모델을 이용하여 백색왜성의 대기에 대해 COS 데이터에 나타난, 행성의 존재를 추적할 수 있는 다양한 원소들의 존재비를 분석하고 있다.
 

연구팀은 동일한 기술을 활용하여 좀더 많은 백색 왜성들을 분석할 계획이며 이를 통해 단순히 암석질의 구성뿐만 아니라 그 모체가 되었던 천체에 대해서도 연구할 계획이다.

 

파리하이의 소감은 다음과 같다.
"이 기술의 아름다움은 우주에 무슨일이 벌어지든 간에 우리는 그것을 측정할 수 있다는 것에 있습니다.
우리는 우리 태양계를 일종의 지도로서 활용해 왔죠. 그러나 저는 여전히 우주가 무엇을 하는지 알수가 없어요.
우주 어딘가에 지구와 같은 거주가 가능할만한 행성에 대한 다른 명세가 존재할 수 있을까요?
화학은 이에 대한 대답을 해줄 수 있죠.
희망적이게도 허블우주망원경과 허블우주망원경에 탑재된 자외선 카메라 COS의 강력한 기능, 그리고 앞으로 건설될 30, 40미터 구경의 망원경등을 통해 우리는 무언가 이야기를 할 수 있게 될 겁니다.
우리는 암성질 행성을 만들어내는 재료들에 대한 수백여가지 그림을 만들어내기를 희망합니다.
그리고 그들이 얼마나 지구와 닮았는지, 얼마나 닮지 않았는지, 얼마나 이국적인 풍경을 만들어내는지를 말하고 싶죠.
우리가 지금껏 누구도 생각하지 못한 물건을 찾게 될지 누가 알겠습니까?"

 

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 5월 9일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

 

그림1>

Image: Artist's Impression of a White Dwarf 'Polluted' with Planet Debris

ABOUT THIS IMAGE:

This is an artist's impression of a burned-out star, called a white dwarf, accreting rocky debris left behind by the star's surviving planetary system. At lower right, an asteroid can be seen falling toward a Saturn-like disk of dust that is encircling the dead star. Infalling asteroids pollute the white dwarf's atmosphere with silicon. This element is not found in white dwarfs, but it is part of a rocky planet's composition. This "planetary chemistry" implies that the white dwarf's progenitor star had planets composed of Earth-like material, and that such planets are common around stars. The telltale chemical fingerprints were identified by the Hubble Space Telescope's Cosmic Origins Spectrograph (COS). The dead star is one of two observed by Hubble in the Hyades star cluster, 150 light-years from Earth.

Image Type: Artwork

 

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

 

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has found the building blocks for Earth-sized planets in an unlikely place, the atmospheres of a pair of burned-out stars called white dwarfs. The dwarfs are being polluted by asteroid-like debris falling onto them. This discovery suggests that rocky planet assembly is common in stars, say researchers.

The white dwarfs reside 150 light-years away in the Hyades star cluster, residing in the constellation Taurus the Bull. The cluster is relatively young, only 625 million years old.

Hubble's spectroscopic observations identified silicon in the white dwarfs' atmospheres, a major ingredient of the rocky material constituting Earth and other terrestrial planets in our solar system. The silicon may have come from asteroids that were shredded by the white dwarfs' gravity when they veered too close to the stars. The rocky debris likely formed a ring around the dead stars, which then funneled the material onto the stellar relics.

The material detected whirling around the white dwarfs suggests that terrestrial planets formed when these stars were born. After the stars collapsed to white dwarfs, surviving gas-giant planets may have gravitationally perturbed members of any leftover asteroid belts into star-grazing orbits.

"We have identified chemical evidence for the Lego building blocks of rocky planets," says Jay Farihi of the University of Cambridge in England, lead author of a new study that appeared in the May 2 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. "When these stars were born, they built planets, and there's a good chance they currently retain some of them. The material we are seeing is evidence of this. The debris is at least as rocky as the most primitive terrestrial bodies in our solar system."

Astronomers commonly believe that all stars formed in clusters. But searches for planets outside our solar system have only detected a handful of them orbiting cluster stars. Farihi suggested that it may be harder to make the precision measurements needed to find extrasolar planets in clusters because the stars are young and more active, producing stellar flares and other outbursts.

The team, therefore, searched planets around retired cluster stars. "Using Hubble to analyze the atmospheres of white dwarfs is the best method for finding the signatures of solid planet chemistry and determining their composition," Farihi explains. "Normally, white dwarfs are like blank pieces of paper, containing only the light elements hydrogen and helium. Heavy elements like silicon and carbon sink to the core."

Besides finding silicon in the Hyades stars' atmospheres, Hubble also detected low levels of carbon, another sign of the debris' rocky nature. Astronomers would expect carbon to be depleted or absent in rocky, Earth-like material. Carbon is a key element that helps astronomers determine the properties and origin of the planetary debris raining down onto white dwarfs. It leaves fingerprints only in ultraviolet light, which cannot be observed from ground-based telescopes. Finding its chemical signature required Hubble's Cosmic Origins Spectrograph (COS).

"The one thing the white dwarf pollution technique gives us that we just won't get with any other planet-detection technique is the chemistry of solid planets," Farihi says. "Based on the silicon-to-carbon ratio in our study, for example, we can actually say that this material is basically Earth-like. If you put this stuff into the hand of a child, or an adult, and you ask them, `What is this?' Any human being would be able to respond, ‘It's a rock!' They wouldn't need to be a scientist. They would know exactly what it is, as it's something familiar to all of us."

Farihi suggests that asteroids less than 100 miles (160 kilometers) across were probably gravitationally torn apart by the white dwarfs' strong tidal forces. The pulverized material may have been pulled into a ring that eventually fell onto the dead stars. "It's difficult to imagine another mechanism than gravity that causes material to get close enough to rain down onto the star," he says.

The team estimated each asteroid's size by measuring the amount of dust being gobbled up by the dead stars, about 10 million grams per second, equal to the flow rate of a small river. They then compared that data with measurements of material falling onto other white dwarfs.

The Hyades study offers insight into what will happen in our solar system when our Sun burns out 5 billion years from now. When the Sun exhausts its hydrogen fuel, it will puff up to a red giant and swallow Mercury and Venus, and perhaps the Earth. As the Sun begins to eject its outer layers, it loses mass. The balance of gravitational forces between the Sun and Jupiter changes, disrupting the main asteroid belt. Some of these asteroids could veer too close to the Sun, which breaks them up. The debris could be pulled into a ring around the dead Sun, similar to the inferred rings around the Hyades white dwarfs.

The two "polluted" Hyades white dwarfs are part of the team's search of planetary debris around more than 100 white dwarfs, led by Boris Gänsicke of the University of Warwick in England. Team member Detlev Koester of the University of Kiel in Germany is using sophisticated computer models of white dwarf atmospheres to determine the abundances of various elements that can be traced to planets in the COS data.

The team plans to analyze more white dwarfs using the same technique to identify not only the rocks' composition but also their parent bodies. "The beauty of this technique is that whatever the universe is doing, we'll be able to measure it," Farihi said. "We have been using our solar system as a kind of map, but I don't know what the universe does. Is there another recipe for Earth-like or habitable planets? The chemistry can tell us. Hopefully, with Hubble and its powerful ultraviolet-light camera COS, and with the upcoming ground-based 30- and 40-meter telescopes, we'll be able to tell a story. We hope to create a picture of hundreds of rocky planet building blocks and tell how often they look like Earth and how often they look different, or even exotic. Who knows, maybe we'll find some stuff we haven't thought of yet."

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
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villard@stsci.edu