행성의 형성이 진행되고 있는 것으로 보이는 외계행성계를 발견하다.

 

 

사진1> 이 그래픽은 원시행성계 원반에 나타난 간극과 TW Hydrae 라는 적색왜성을 휘감고 있는 가스의 모습을 보여주고 있다.
이 간극의 존재는 점점 몸집을 불리고 있는 보이지 않는 행성의 작용에 대한 최상의 설명이 되는데
예측상의 이 행성이 마치 넉가래처럼 원반의 일정대역을 깍아내며 중력작용으로 물질들을 쌓아올리고 있는 것이다.

NASA허블우주망원경이 촬영한 왼쪽 사진에서 원반중심의 별로부터 120억킬로미터 떨어진 위치에 간극이 보인다.

만약 이 행성이 우리 태양계에서 공전하고 있다고 가정한다면 그 거리는 대략 플루토 공전궤도의 2배에 달하는 거리이다.

이 사진은 허블의 근적외선 카메라와 다중분광망원경(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, 이하 NICMOS)의 근적외선으로 촬영된 것이다.

천문학자들은 NOCMOS에 차폐장치를 이용하여 별의 밝은 빛을 차단함으로써 원반의 구조를 볼 수 있게 된다.

허블 우주망원경에 의해 관측된 이 간극은 30억 킬로미터의 너비를 가지고 있는 것으로 밝혀졌지만 아직 완전하게 규명이 완료된 것은 아니다.

오른쪽의 그래픽은 별과 비교한 간극의 모습을 보여주고 있다.
TW Hydrae는 바다뱀자리 방향으로 176광년 거리에 위치하고 있다.

허블의 관측 데이터는 2005년 6월 17일에 수집되었다.

 

The full news release story:

 

지금까지 900개에 육박하는 외계행성이 발견되었다.
그러나 천문학자들은 이번에 사상 처음으로 아주 작은 크기의 적색왜성으로부터 한참 떨어져 있는, 예상치 못한 위치에서 행성이 만들어지고 있는 중이라는 설득력 있는 증거를 찾은 것으로 생각하고 있다.

 

NASA 허블 우주망원경의 날카로운 시선에 바다뱀 자리 방향으로 176광년 떨어진 TW Hydrae라는 별과 그 주위를 휘감고 있는 광대한 원시행성 원반과의 간극이 포착된 것이다.

이 간극의 존재는 점점 몸집을 불리고 있는 보이지 않는 행성의 작용에 대한 최상의 설명이 되는데 예측상의 이 행성이 마치 넉가래처럼 원반의 일정대역을 깍아내며 중력작용으로 물질들을 쌓아올리고 있는 것이다.

 

 

 

우주망원경 과학 연구소의 존 데베스(John Debes)가 이끌고 있는 연구팀이 발견한 이 간극은 적색왜성으로부터 120억킬로미터 거리에 위치하고 있다.
만약 이 행성이 우리 태양계에서 공전하고 있다면 그 거리는 대략 플루토 공전궤도의 2배에 달하는 거리이다.
이 행성의 공전궤도가 이처럼 멀리 떨어져 있다는 사실은 이 행성이 자신의 별 주위를 매우 느린 속도로 공전하고 있음을 의미한다.

 

이 추측상의 행성이 이 공전궤도에서 발견된다면 이는 현재의 행성 형성 이론에 하나의 도전이 된다.

전통적인 관점의 행성 형성 과정에 의하면 행성들은 주변을 둘러싸고 있는 먼지 원반으로부터 물질들이 뭉쳐지면서 행성의 씨앗이 형성되고 이로부터 시작하여 느린 속도이지만 꾸준히 먼지와 암석들, 그리고 가스들이 합쳐지는 과정이 천만년 이상 지속되면서 형성되는 것으로 알려져 있다.
 
그러나 TW Hydrae 별은 고작 8백만년 밖에 되지 않은 별이다.
8백만년이란 시간은 작은 먼지파편들이 천천히 누적되어 가면서 행성으로 자라나기에는 충분치 못한 시간이다.
사실 자신의 별로부터 120억 킬로미터나 떨어져 있는 행성은 지구로부터 목성 정도 거리에 떨어져 있는 행성보다

형성되는데 걸리는 시간이 200배는 더 소요될 것으로 예측되고 있다.
왜냐하면 이정도 위치에서 물질들의 공전 속도는 훨씬 느리고 먼지 원반상에 물질들도 결핍되어 있을 것이기 때문이다.

 

또다른 행성 형성 이론에서는 원반의 한 뭉치가 중력적으로 불안정한 상태에 빠지고, 그 결과 스스로 붕괴되면서 형성된다고 말하고 있다.
이러한 시나리오대로라면 행성은 고작 수천년 상관이라는 보다 빠른 시간내에 형성될 수 있다.

 

이번 발견의 의미에 대한 데베스의 설명은 다음과 같다.
"만약 우리가 이곳에 정말 행성이 존재한다는 것을 확정할 수 있다면, 우리는 이 행성의 특성을 이 간극의 속성이 갖는 측정치와 연관시킬 수 있게 됩니다.
그리고 이처럼 먼 거리에서도 어떻게 행성이 실제로 만들어질 수 있는가에 대한 행성 형성 이론을 하나 더 수립할 수 있게 되겠죠.
이곳에는 간극 구조가 명백하게 존재합니다.  

간극이 선명하게 원형 구조를 띠고 있다는 사실은 이곳에 행성이 있기 대문에 가능한 것이라고 생각하고 있습니다."
 
이야기를 복잡하게 만드는 것은 적색왜성의 질량이 태양 질량의 55%정도밖에 되지 않는다는 것이다.

데베스의 이어지는 설명은 다음과 같다.

"이와 같은 행성계를 본다는 건 상당히 흥미로운 일입니다. 이 별은 이렇게 멀리 떨어진 간극을 가지고 있는 별로는 가장 질량이 작은 별이거든요."

 

이번에 관측된 먼지 원반 또한 외곽부에는 거의 큰 규모의 먼지덩어리가 존재하지 않는 상태였다.
아타카마 사막의 밀리미터 전파 망원경 배열 (the Atacama Large Millimeter Array, 이하 ALMA) 에 의해 관측된 자료는 이곳의 먼지들이 밀리미터 정도의 크기를 가지고 있음을 보여주고 있다.
이 크기는 대략 모래알갱이 정도에 해당하는 크기인데, 별로부터 88억 킬로미터 거리에서 예리하게 짤린듯한 모습을 보여주고 있으며 이곳은 간극이 가장 짧게 떨어져 있는 곳이다.

 

이 원반의 지름은 656억 킬로미터에 이른다.

 

데베스의 의견은 다음과 같다.

"대체적으로 행성이 형성되기 위해서는 자갈같은 돌맹이들이 필요합니다.
그래서 만약 특정 지역에 행성이 있다면  그곳에는 모래알갱이보다 큰 먼지들은 존재하지 않게 되죠. 

따라서 이번 관측이 전통적인 행성 형성 모델에 대한 크나큰 도전이라 할 수 있습니다."

 

허블 우주망원경에 의해 관측된 이 간극은 30억 킬로미터의 너비를 가지고 있는 것으로 밝혀졌지만 아직 완전하게 규명이 완료된 것은 아니다.

 

연구팀은 만약 여기에 정말 행성이 존재한다면, 행성의 형성은 진행단계에 있으며 그 질량은 그리 크지 않을 것이라고 생각하고 있다.
연구팀의 일원인 콘델대학의 장하나 씨는 관측 자료를 기반으로 이 작은 행성의 질량이 지구보다 6~28배 정도 질량을 가지고 있을 것으로 예측했다.

이정도 범위에 해당하는 행성은 슈퍼지구(super-Earths)나 얼음 거대행성(ice giants) 급으로 분류된다.

 

이와 같은 작은 규모의 행성 질량은 직접통합에 의한 행성 형성 이론(direct-collapse planet-formation theories)에도 도전이 된다.
이 이론에서는 물질뭉치의 질량의 목성 질량의 1~2배 정도 범위에 해당하면 붕괴되면서 행성이 형성되는 것으로 예견하고 있다.

 

TW Hydrae는 천문학자들에게는 인기있는 관측 대상이 되어왔다.

이 행성계는 우리에게 전면을 보여주고 있어 천문학자들의 별의 주변을 위에서 내려보는 듯한 시야를 제공하는 원반으로는 가장 가까이 있는 예에 해당하기 때문이다.

 
데베스와 연구팀은 허블의 NICMOS를 이용하여 이 별을 근적외선파장에서 관측하였다.

연구팀은 또한 허블이 NICMOS뿐 아니라 가시광선 및 분광촬영기(the Space Telescope Imaging Spectrograph, 이하 STIS)로 관측한

기존의 축적 데이터를 재분석하였다.

연구팀은 이와 같은 여러 관측기의 도움을 받아 여러 파장의 빛이 만들어낸 이 행성계의 모습을 가장 이해하기 쉬운 모습으로 구성하였다.

 

데베스는 별빛을 반사해내는 원반이 흐릿해지는 비율을 설명할 때, 이 간극을 특히 강조하였다.
이것은 이전에 허블 우주망원경을 통해 이루어진 동일 천체에 대한 두 번의 연구에서 의문점으로 남겨놓은 특징이기도 하다.
초기 관측들에서는 원반에서 불명확한 밝기가 관측된다고 지목하긴 했으나 그 원인을 간극으로는 식별하지 못했다.

 

테베스의 소감은 다음과 같다. 

"내가 맨처음 이 간극 구조를 발견했을 때, 이 간극이 확 눈에 띠게 보였죠.

우리가 모든 파장에서 이 간극을 발견했다는 사실은, 이 간극이 관측 장비가 만들어낸 환영이거나 별빛이 먼지에 뿌려지면서 만들어낸 특징이 아니라 이 원시 행성계의 구조적인 특징이라는 점을 분명히 말해주는 것이랍니다."

 

연구팀은 ALMA와 2018년 발사될 적외선 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 이 행성계를 좀더 상세히 분석할 계획을 세우고 있다.
연구팀의 연구논문은 6월 14일 The Astrophysical Journal 온라인판에 개재되었다.

 

 

그림 1> 이 그림은 우리 태양계보다 훨씬 방대한 크기의 TW Hydrae 원시행성원반을 보여주고 있다.

TW Hydrae 원반의 간극은 이 별로부터 120억 킬로미터 거리에 위치하고 있는 것으로 추정되는 행성 때문에 발생했다.

만약 이 행성이 태양계를 공전한다고 가정할 경우 태양계가 형성될 때 발생한 잔여물과 얼음의 저장소라 할 수 있는 카이퍼 벨트를 훨씬 넘어선 거리에서 공전하고 있는 셈이 된다.

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 6월 13일 발표된 뉴스입니다.

 

참고> 바다뱀자리 TW별의 원시 행성 원반에서 일산화탄소 스노우 라인을 발견한 것에 대한 뉴스가 2013년 7월 18일 ESO의 뉴스로 발표된 바 있습니다.  하기 링크를 참고하세요.
          https://big-crunch.tistory.com/12346793

 

원문>

 

사진1>

Image: TW Hydrae Protoplanetary Disk

ABOUT THIS IMAGE:

This graphic shows a gap in a protoplanetary disk of dust and gas whirling around the nearby red dwarf star TW Hydrae.

The gap's presence is best explained as due to the effects of a growing, unseen planet that is gravitationally sweeping up material and carving out a lane in the disk, like a snow plow.

In the NASA Hubble Space Telescope image at left, a gap can be seen about 7.5 billion miles away from the star in the center of the disk. If the putative planet orbited in our solar system, it would be roughly twice Pluto's distance from our Sun. The image was taken in near-infrared light by the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS).

Astronomers used a masking device on NICMOS to block out the star's bright light so that the disk's structure could be seen. The Hubble observations reveal that the gap, which is 1.9 billion miles wide, is not completely cleared out. The graphic at right shows the gap relative to the star. TW Hydrae resides 176 light-years away in the constellation Hydra (the Sea Serpent).

The Hubble observations were taken on June 17, 2005.

Object Name: TW Hydrae

Image Type: Astronomical/Illustration

 

Credit: NASA, ESA, J. Debes (STScI), H. Jang-Condell (University of Wyoming), A. Weinberger (Carnegie Institution of Washington), A. Roberge (Goddard Space Flight Center), G. Schneider (University of Arizona/Steward Observatory), and A. Feild (STScI/AURA)

 

The full news release story:

Nearly 900 extrasolar planets have been confirmed to date, but now for the first time astronomers think they are seeing compelling evidence for a planet under construction in an unlikely place, at a great distance from its diminutive red dwarf star.

The keen vision of NASA's Hubble Space Telescope has detected a mysterious gap in a vast protoplanetary disk of gas and dust swirling around the nearby star TW Hydrae, located 176 light-years away in the constellation Hydra (the Sea Serpent). The gap's presence is best explained as due to the effects of a growing, unseen planet that is gravitationally sweeping up material and carving out a lane in the disk, like a snow plow.

Researchers, led by John Debes of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., found the gap about 7.5 billion miles from the red dwarf star. If the putative planet orbited in our solar system, it would be roughly twice Pluto's distance from the Sun.

The suspected planet's wide orbit means that it is moving slowly around its host star. Finding the suspected planet in this orbit challenges current planet formation theories. The conventional planet-making recipe proposes that planets form over tens of millions of years from the slow but persistent buildup of dust, rocks, and gas as a budding planet picks up material from the surrounding disk. TW Hydrae, however, is only 8 million years old. There has not been enough time for a planet to grow through the slow accumulation of smaller debris. In fact, a planet at 7.5 billion miles from its star would take more than 200 times longer to form than Jupiter did at its distance from the Sun because of its much slower orbital speed and a deficiency of material in the disk.

An alternative planet-formation theory suggests that a piece of the disk becomes gravitationally unstable and collapses on itself. In this scenario, a planet could form more quickly, in just a few thousand years.

"If we can actually confirm that there's a planet there, we can connect its characteristics to measurements of the gap properties," Debes says. "That might add to planet formation theories as to how you can actually form a planet very far out. There's definitely a gap structure. We think it's probably a planet given the fact that the gap is sharp and circular."

What complicates the story is that the red dwarf star is only 55 percent the mass of our Sun. "It's so intriguing to see a system like this," Debes says. "This is the lowest-mass star for which we've observed a gap so far out."

The disk also lacks large dust grains in its outer regions. Observations from ALMA (the Atacama Large Millimeter Array) show that millimeter-sized (tenths-of-an-inch-sized) dust, roughly the size of a grain of sand, cuts off sharply at about 5.5 billion miles from the star, just short of the gap. The disk is 41 billion miles across.

"Typically, you need pebbles before you can have a planet. So, if there is a planet and there is no dust larger than a grain of sand farther out, that would be a huge challenge to traditional planet-formation models," Debes says.

The Hubble observations reveal that the gap, which is 1.9 billion miles wide, is not completely cleared out. The team suggests that if a planet exists, it is in the process of forming and not very massive. Based on the evidence, team member Hannah Jang-Condell at the University of Wyoming in Laramie estimates that the putative planet is 6 to 28 times more massive than Earth. Within this range lies a class of planets called super-Earths and ice giants. Such a small planet mass is also a challenge to direct-collapse planet-formation theories, which predict that clumps of material one to two times more massive than Jupiter can collapse to form a planet.

TW Hydrae has been a popular target with astronomers. The system is one of the closest examples of a face-on disk, giving astronomers an overhead view of the star's environment. Debes's team used Hubble's Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) to observe the star in near-infrared light. The team then re-analyzed archival Hubble data, using more NICMOS images as well as optical and spectroscopic observations from the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). Armed with these observations, they composed the most comprehensive view of the system in scattered light over many wavelengths.

When Debes accounted for the rate at which the disk dims from reflected starlight, the gap was highlighted. It was a feature that two previous Hubble studies had suspected but could not definitively confirm. These earlier observations noted an uneven brightness in the disk but did not identify it as a gap.

"When I first saw the gap structure, it just popped out like that," Debes says. "The fact that we see the gap at every wavelength tells you that it's a structural feature rather than an instrumental artifact or a feature of how the dust scatters light.

The team plans to use ALMA and NASA's upcoming James Webb Space Telescope, an infrared observatory set to launch in 2018, to study the system in more detail.

The team's paper will appear online on June 14 in The Astrophysical Journal.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

John Debes
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4782
debes@stsci.edu

 

그림1>

Image: Comparison of TW Hydrae System and Solar System

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration shows that the TW Hydrae protoplanetary disk is much wider than the size of our solar system. In fact, the gap in the TW Hydrae disk produced by a suspected planet resides 7.5 billion miles from the star. At this distance, the putative planet would orbit far beyond our Kuiper Belt, a reservoir of icy, leftover material from the formation of our solar system.

Object Name: TW Hydrae

Image Type: Illustration

 

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