구상성단에서 별의 연령과 공전궤도간의 관계를 규명하다.

 

 

사진1> 이 사진은 오래된 구상성단이며 백만여개의 별들이 빽빽하게 몰려 있는 큰부리새자리 47의 사진이다.

왼쪽 사진은 이 구상성단 전체의 모습으로 이 구상성단의 폭은 120여광년에 이른다.

남반구의 별자리인 큰부리새자리에 위치하고 있는 이 성단은 16,700광년 거리에 위치하고 있다.

이 사진은 DSS(the Digitized Sky Survey)의 일환으로 촬영되었으며 호주 뉴사우스웨일즈에 있는 스프링 천문대의 UK슈미트 망원경으로 촬영되었다.

오른쪽 박스 사진은 허블 우주망원경으로 촬영된 것이다.

이 사진은 성단의 특정 부분을 촬영한 것으로 수천개의 별들이 담겨있다.

이 사진에서 크게 그리고 밝게 보이는 별들은 모두 적색거성들이다.

이 별들은 자신들의 핵연료를 거의 소진하고 생애의 마지막 단계에 접어들면서 원래 크기에서 수십배 부풀려진 상태이다.

이 사진은 허블 우주망원경의 ACS(Advanced Camera for Surveys)로 촬영되었다.

천문학자들은 허블우주망원경의 과거 관측자료와 이번 관측자료를 활용하여 큰부리새자리 47에서 3만여개에 이르는 별들의 위치 변화를 정밀하게 측정하였다.

이러한 측정치를 바탕으로 서로 다른 화학적 조성과 움직임을 보이는 두 세대의 별들을 발견함으로써 이 성단에서 별들의 역사에 대한 이론을 보충했다.

큰부리새자리 47에서 보이는 별들의 운동양상을 이해함으로써 이 성단에서 어떻게 별들이 형성되었는지에 대한 통찰이 도출될 수 있다.

허블우주망원경을 이용한 관측은 2010년 1월 ~ 10월 중에 이루어졌으며 슈미트 망원경의 사진은 1977년 10월 12일과 1989년 9월 9일에 촬영되었다.

 

 

The full news release story:

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 고대의 구상 성단에서 두개의 명확히 구분되는 세대에 포진된 별들과 이들이 저마다 독자적인 고유운동을 보인다는 점 사이에 서로 연관이 있다는 사실을 사상 처음으로 밝혀냈다.
이는 이 성단의 별들이 동일한 시기에 탄생한 것이 아니라는 사실에 대한 증거가 되는 셈이다.

 

구상성단 큰부리새자리 47(47 Tucanae)에 대한 분석은 이 두 세대의 별들의 연령차는 1억년 이내 범주에 포함되어 있음을 알려주었다.

이 성단은 남반구의 하늘 큰부리새 자리 방향으로 16,700광년 거리에 위치하고 있다.

콜롬비아 브리티쉬 대학의 하비 리처(Harvey Richer)가 이끄는 연구진은 최근의 허블 관측 데이터와 지난 8년간의 데이터를 비교분석하여
이 구상성단 내에 존재하는 별들의 고유운동을 결정하였다.

이전의 분광 분석은 여러 구상 성단에 포함되어 있는 별들의 화학적 구성성분이 다양하다는 사실을 밝혀주었는데, 이는 이 별들이 서로다른 시기에 생성되었음을 의미한다.

그러나 이번 허블 연구에서는 여기서 한발 더 나가 별들의 이동경로를 추가로 분석하였다. 

 

리처의 설명은 다음과 같다.
"우리눈 별들의 고유운동을 훨씬더 오랜 시간대를 기초로 분석하였으며, 이를 통해 이들의 운동을 좀더 정확하게 측정할 수 있었습니다.
이 데이터들은 매우 훌륭하여 우리는 사상처음으로 성단 내에 존재하는 별들 각각의 움직임을 볼 수 있었던 것이죠.
데이터는 이와 같은 성단 내에서 다양한 세대에 걸친 별들의 형성을 이해하는데 매우 세밀한 증거를 제공해 주었습니다."

 

우리 은하의 구상성단들은 우리 은하의 형성에 대한 살아 있는 화석이라 할 수 있다.

이들은 우리 은하의 초기 역사에 대한 통찰을 제공해 준다.

 

큰부리새자리 47은 105억년의 역사를 가진 성단으로 우리 은하에 존재하는 150여개의 구상성단들 중 가장 밝은 성단의 하나이다.

이 성단의 너비는 120광년에 달한다.

리처와 그의 연구팀은 2010년 허블 ACS를 활용하여 이 성단을 관측하였다.

연구팀은 이때 획득된 관측 데이터를 이미 보관중인 754개 데이터와 비교하여 3만개가 넘는 별들의 위치변화를 정확하게 측정하는데 사용하였다.

이 데이터들을 활용하여 연구팀은 별들이 얼마나 빠르게 움직이는지를 식별해낼 수 있었다.

 

연구팀은 또한 이 별들의 온도뿐만 아니라 밝기도 측정하였다.

이러한 별들의 고고학을 통해 이 별들이 명확하게 구분되는 두 개의 세대로 구성되어 있음을 밝혀냈다.

 

첫번째 세대의 별들은 붉은 빛을 보이는 별들로서 이들은 좀더 오래되었고, 화학적 조성이 풍부하지 않고, 고르지도 않으며 둥근 궤적을 그리는 움직임을 보이고 있었다.  

두번째 세대의 별들은 상대적으로 푸른 빛깔을 띠며, 대체로 어리며 화학적 조성도 풍부하고 타원에 가까운 움직임을 보이고 있었다.

 

 

 

그림 1> 이 삽화는 고대의 구상성단 큰부리새자리 47에서 서로 다른 세대의 별들에 대한 진화양상을 보여주고 있다.

첫번째 삽화는 적색거성 무리로서 이 별들은 오래된 별들이고 헬륨이나 수소보다 무거운 원소들을 얼마가지고 있지 않은 별들이다.

이 별들은 무작위적인 움직임을 보이며 원형 공전 궤도를 가지고 있다.

가장 무거운 축에 드는 이 별들이 최후를 맞게되면 화학적으로 강화된 물질들이 성단으로 다시 쏟아져나오게 된다.

이 물질들은 새로운 세대의 별들을 형성하게 되고 이 별들이 두 번째 그림에 보이는 푸른색 별들이다.

이 별들은 좀더 풍부한 화학적 조성을 가지고 있으며 성단의 중심부에 집중된 상태로 타원형 공전궤도를 돌고 있다.

이 별들은 장구한 시간동안 천천히 외곽으로 움직이면서 세번재 그림에서 보이는 바와 같이 방사상으로 뻗어나가는 공전궤도를 갖게 된다.

 

리처의 설명은 다음과 같다.
"붉은 빛을 보이는 세대의 별들에는 무거운 원소들이 결핍되어 있으며, 성단이 형성될 당시 가스의 흐름을 반영하고 있습니다. 
이 별들은 처음 탄생했을 때의 운동에 대한 기억을 보유하고 있는 셈입니다."

 

대부분의 무거운 별들은 별의 진화 과정이 완료된 후 가스들을 뿜어내며 무거운 원소들을 성단으로 다시 되돌려 보낸다.

이 가스들이 다른 가스들과 충돌하면서 만들어진 두번째 세대의 별들은 화학적으로 좀더 풍성한 조성을 갖게 되었으며 성단의 중심부에 몰려 있는  양상을 보인다. 이들이 오랜시간에 걸쳐 성단의 바깥쪽으로도 움직이면서 좀더 방사상에 가까운 공전궤도를 갖게 된 것이다.

 

구상성단에 존재하는 별들이 다양한 세대를 가지고 있다는 것을 규명한 허블의 발견이 이번이 처음인 것은 아니다.

2007년 허블 연구를 통해 NGC 2808이라는 무거운 구상성단의 별들이 세 개의 세대를 가지고 있음이 밝혀진바 있다.*

 

그러나 리처와 그의 연구팀은 서로 별개로 생각되던 별의 움직임과 세대에 대한 내용을 이번에 처음으로 연결지은 것이다.

구상성단에서 다양한 세대의 별들이 공존한다는 사실은 보다 깊은 뜻을 갖는다.

천문학자들은 초기 우주에 존재했던 멀리 떨어진 은하에서 어떻게 별들이 생성되는지를 보다 잘 이해하기 위해 이와 같은 다양한 세대의 별들이 생성되는것에 대한 수수께끼를 언젠가 풀어낼 필요가 있다.

 

연구팀의 연구결과는 7월 1일 발행된 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었다.

 

 

* 출처 : 허블사이트 2013년 7월 18일 발표 뉴스

             http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/25/

 

참고 : 큰부리새자리 47을 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.      
           https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

 

원문>

Image: Globular Cluster 47 Tucanae

ABOUT THIS IMAGE:

These images showcase the ancient globular cluster 47 Tucanae, a dense swarm of up to a million stars.

The image at left shows the entire cluster, which measures about 120 light-years across. Located in the southern constellation Tucana, the cluster is about 16,700 light-years away. The image is part of the Digitized Sky Survey (DSS) and was taken by the UK Schmidt Telescope at Siding Spring Observatory in New South Wales, Australia. The white rectangular box outlines the view taken by NASA's Hubble Space Telescope.

That image, shown at right, captures close-up views of thousands of cluster stars. The large, bright stars in the image are red giants. These stars have puffed up to several times their normal size because they have exhausted their nuclear fuel and are near the end of their lives. The image was taken by Hubble's Advanced Camera for Surveys.

Astronomers used these Hubble observations, along with archival Hubble data, of 47 Tucanae to accurately measure changes in positions of more than 30,000 cluster stars. Based on those measurements, the astronomers pieced together the stars' histories, finding two populations of stars that have different chemical composition and that have different motions. Understanding the dynamics of the 47 Tucanae stars can yield insights into how this cluster formed its stars.

The Hubble image was taken between January and October 2010. The Schmidt telescope image was taken Oct. 12, 1977, and Sept. 9, 1989.

Object Names: 47 Tuc, 47 Tucanae, NGC 104

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, Digitized Sky Survey (DSS; STScI/AURA/UKSTU/AAO), H. Richer and J. Heyl (University of British Columbia), and J. Anderson and J. Kalirai (STScI)

 

The full news release story:

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have for the first time linked two distinct populations of stars in an ancient globular star cluster to their unique orbital dynamics, offering proof that the stars do not share the same birth date.

The analysis of the globular cluster 47 Tucanae shows that the two populations differ in age by less than 100 million years. The cluster resides roughly 16,700 light-years away in the southern constellation Tucana.

Researchers, led by Harvey Richer of the University of British Columbia in Vancouver, combined recent Hubble observations with eight years' worth of data from the telescope's archive to determine the motions of the stars in this cluster.

Previous spectroscopic studies revealed that many globular clusters contain stars of varying chemical compositions, suggesting multiple episodes of star birth. This Hubble analysis, however, goes a step further, adding the stars' orbital motion to the analysis.

"When analyzing the motions of stars, the longer the time baseline for observations, the more accurately we can measure their motion," Richer explained. "These data are so good, we can actually see for the first time the individual motions of the stars in the cluster. The data offer detailed evidence to help us understand how various stellar populations formed in such clusters."

The Milky Way's globular clusters are the surviving relics from our galaxy's formation. They offer insights into the early history of our galaxy. 47 Tucanae is 10.5 billion years old and one of the brightest of our galaxy's more than 150 globular clusters. The cluster measures about 120 light-years wide.

Richer and his team used Hubble's Advanced Camera for Surveys in 2010 to observe the cluster. They combined those observations with 754 archival images to accurately measure the changes in positions of more than 30,000 stars. Using these data, they could discern how fast the stars are moving. The team also measured the stellar luminosities as well as temperatures.

This stellar archaeology identified the two distinct populations of stars. The first consists of redder stars, which are older, less chemically enriched, and in random, circularized orbits. The second population comprises bluer stars, which are younger, more chemically enhanced, and in more elliptical orbits.

"The redder generation, which is deficient in heavier elements, reflects the initial motion of the gas that formed the cluster," Richer said. "These stars have retained a memory of their original motion."

After the most massive of these stars completed their stellar evolution, they expelled gas enriched with heavier elements back into the cluster. This gas collided with other gas and formed a second, more chemically enriched generation of stars that was concentrated towards the cluster center. Slowly over time these stars have been moving outwards, putting them on more radial orbits.

This discovery is not the first for Hubble in revealing multiple generations of stars in globular clusters. In 2007 Hubble researchers found three generations of stars in the massive globular cluster NGC 2808. Richer's team, however, linked stellar dynamics to separate populations for the first time. Finding multiple stellar populations in globular clusters has deep cosmological implications. Astronomers need to solve future enigmas of these multiple generations to better understand how stars formed in distant galaxies in the early universe.

The team's results are published in the July 1 issue of The Astrophysical Journal Letters.

CONTACT

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

Harvey Richer
University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada
604-822-4134
richer@astro.ubc.ca

 

그림1>

Image: Evolution of 47 Tuc Stellar Populations

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration shows the evolution of two populations of stars in the ancient globular cluster 47 Tucanae.

The first panel shows a grouping of red stars, an older population containing fewer chemical elements heavier than helium and hydrogen. These stars move in random, circular orbits. As the most massive of these stars die, they return chemically enhanced material back into the cluster. This material helps form another generation of stars, shown as the blue stars in the second panel. The blue stars are more chemically enriched and are concentrated towards the cluster's center, traveling in elliptical orbits. Slowly, over time, the blue stars have been moving outward, putting them on more radial orbits, as seen in the third panel.

Image Type: Illustration

 

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