가장 오래된 태양의 쌍둥이 별을 발견하다.

 

 

그림 1> 태양과 같은 별의 생애주기
이 그림은 태양과 같은 별의 생애주기를 표시하고 있는 것으로 왼쪽으로는 갓 탄생한 때가, 그리고 오른쪽으로는 적색거성으로 진화한 때의 모습이 표현되어 있다.

왼쪽에서 별은 물질들의 먼지속에 파묻혀 형성이 진행중인 원시별의 모습을 보여주고 있다.

그리고 나서 이 별은 우리 태양과 같은 별이 된다.

이 단계에서 생애의 대부분을 소진하게 되고, 핵의 온도가 점점 올라가면서 적색 거성으로 진화할 때까지 별은 점점 더 팽창하며 붉은 색을 띠게 된다.

이 단계 바로 다음에 별은 자신의 표피를 우주공간으로 밀어내게 되고 행성상 성운으로 알려진 천체로 변하게 된다.
이 기간동안 별의 핵은 점점 식고 작아지면서 백색왜성이라고 불리는 고밀도의 잔해가 남게 된다.

이 생애 주기표에는 우리의 태양 및 태양의 쌍둥이 별인 18 Scorpii와 HIP 102152의 현재 생애 단계가 표시되어 있다.

우리 태양의 연령은 46억년이고 18 Scorpii의 연령은 29억년임에 반해, 지금까지 발견된 태양의 쌍둥이 별로는 가장 오래된 나이를 가진 HIP 102152 는 82억년의 나이를 가지고 있다.

HIP 102152를 연구함으로써 우리는 우리 태양의 미래가 어떤 모습을 견지하게 될지를 엿볼 수 있게 된다.

이 그림은 규모를 제외하고 별 자체의 연령과, 크기, 색채 모두를 근사치로 표현한 것이다.

실제로 가장 왼쪽에 표현되어 있는 원시별 단계의 규모는 우리 태양 크기의 2천배까지 다다를 수 있으며, 가장 우측에 표현되어 있는 적색 거성은 태양 규모의 100배까지 도달할 수 있다.

 

 

가장 오래된 쌍둥이 태양을 발견하다 - ESO의 VLT가 제공해준 리튬 미스테리를 풀 수 있는 단서

 

브라질 천문학자들이 이끄는 국제 연구팀이 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용하여 지금까지 알려진 우리 태양과 같은 별 중 가장 오래된 별을 식별하고 연구했다.

지구로부터 250광년 거리에 위치하는 HIP 102152라는 별은 다른 어떤 태양의 쌍둥이 별과 비교해서 - 이 별이 태양보다 40억년 더 나이를 먹었다는 사실을 제외하고는 -  가장 태양과 닯은 별이다.

이 별은 나이가 더 들긴 했지만 다른 모든 요소들이 거의 동일하여 우리 태양이 나이가 들면 어떻게 보이게 될지를 알수 있는 유례없는 기회를 제공해주고 있다.

이번 관측은 별의 연령과 별이 포함하고 있는 리튬 성분간의 명확한 연관관계를 처음으로 제공해주는 중요한 관측이며 여기에 덧붙여 HIP 102152가 암석질의 지구형 행성을 거느린 별일지도 모른다는 점도 알려주고 있다.

 

천문학자들은 지난 400년동안 망원경을 이용하여 태양을 관측해왔지만 이 기간은 46억년에 달하는 태양의 나이와 비교하면 아주 미미한 시간에 지나지 않는다.

따라서 우리 태양의 역사와 앞으로의 진화양상을 연구하는 것은 매우 어려운 일이다.
그러나 우리는 우리 태양과 거의 모든 면에서 동일하지만 연령은 다른 보기 드문 별들을 찾아냄으로서 이와 같은 내용을 연구할 수 있다.

지금 천문학자들이 식별해낸 별은 근본적인 속성에 있어 우리 태양의 쌍둥이라 할 수 있지만 이 별의 연령은 태양보다 40억년이 더 많다.
이것은 쌍둥이 역설의 실사 버전을 보는 것과 거의 같다고 할 수 있다.[1]

 

사진1>  이 사진은 HIP 102152를 촬영한 것으로 이 별은 염소자리 방향으로 지구로부터 250광년 거리에 위치하고 있다.

 

 

HIP 102152는 다른 어떤 태양의 쌍둥이 별들보다 - 이 별의 나이가 태양보다 40억년이나 더 많다는 것을 제외하고는 - 훨씬 태양과 닮은 별이며, 이에 따라 우리 태양이 더 나이를 먹게 되면 어떤 모습을 갖추게 될지를 연구할 수 있는 전례없는 기회를 제공해주고 있다. 

 

이 별은 지금까지 알려진 태양의 쌍둥이 별로는 가장 오래된 별이며, 브라질 천문학자들이 이끌며 VLT를 활용하는 국제 연구팀에 의해 연구가 진행되었다. 

사진에서 설핏 보이는 서로 다른 색깔은 수년을 간격으로 촬영된 두 개의 사진에서 별이 약간 움직였기 때문에 발생한 것이다.

 

이번 논문의 공동 저자이자 연구팀의 리더인 브라질 상파울로 대학의 호르헤 멜렌데즈(Jorge Melendez)의 설명은 다음과 같다. 
"수십년동안 천문학자들은 우리에게 생명을 부여해준 태양을 더 잘 알기 위해 태양과 닮은 쌍둥이 별을 탐색해 왔습니다.
그러나 1997년 처음으로 여기에 해당하는 별이 발견된 이래 지금까지 아주 적은 수의 별만이 발견됐죠.
우리는 이번에 VLT로부터 최상의 질을 가진 스펙트럼을 얻을 수 있었습니다. 그리고 이를 통해 우리 태양이 과연 특별한 별인가에 대한 질문을 얻기 위해 대단히 정밀하게 이 별을 조사할 수 있게 되었습니다."

 

연구팀은 두 개의 태양의 쌍둥이 별을 연구하였다.[2]  - 그 중 하나는 우리 태양보다 훨씬 어린 것으로 생각되는 18 Scorpii 라는 별이고 나머지 하나가 훨씬 나이가 오래되었을 것으로 보이는 HIP 102152 이다.

연구팀은 파라날 천문대 VLT에 장착된 UVES 분광기를 사용하여 이 별로부터 얻은 빛을 각각의 구성성분의 색채로 분리해냈다.
이러한 결과 화학적 조성과 여타 속성들이 매우 세밀하게 분석될 수 있었다.

 

 

 

사진 2> 이 사진은 HIP 102152가 위치하고 있는 염소자리를 광대역으로 촬영한 것이다.

HIP 102152는 다른 어떤 태양의 쌍둥이 별들보다 - 이 별의 나이가 태양보다 40억년이나 더 많다는 것을 제외하고는 - 훨씬 태양과 닮은 별이며 이에 따라 우리 태양이 더 나이를 먹게 되면 어떤 모습을 갖추게 될지를 연구할 수 있는 전례없는 기회를 제공해주고 있다. 

이 별은 지금까지 알려진 태양의 쌍둥이 별로는 가장 오래된 별이며, 브라질 천문학자들이 이끌며 VLT를 활용하는 국제 연구팀에 의해 연구가 진행되었다. 

 

연구팀이 염소자리에서 찾아낸 HIP 102152는 지금까지 알려진 태양의 쌍둥이 별로는 가장 늙은 별이다.

우리 태양의 나이가 46억년임에 반해 이 별의 연령은 82억년이다.

한편 18 Scorpii 는 우리 태양에 비해 어린 별임이 밝혀졌는데 이 별의 연령은 29억년이다.

 

이 오래된 태양의 쌍둥이 별인 HIP 102152를 연구하여 과학자들은 우리 태양이 이 정도의 연령에 도달했을때 어떤 일이 벌어질지를 예견할 수 있다.
그리고 이미 중요한 발견 하나가 이루어지기도 했다.

멜렌데즈의 설명은 다음과 같다.
"우리가 규명하고자 하는 이슈 하나는 태양의 조성이 일반적인 것인지 특이한 것인지에 대한 것입니다.
 가장 중요한 것은 왜 태양이 이상하게도 낮은 리튬 함유량을 가지고 있느냐 하는 것이죠."

리튬은 주기율표상의 3번째 원소로서 빅뱅시에 수소 및 헬륨과 함께 만들어진 원소이다.

천문학자들은 수년동안 왜 몇몇 별들에서의 리튬함유량이 다른 별들보다 현저하게 낮은지를 심사숙고해왔다.

 

HIP 102152의 관측과 함께 천문학자들은 태양과 닮은 별의 연령과 리튬 함유량과의 강력한 상관 관계를 파악함으로써, 이 미스테리를 풀기 위한 큰 첫걸음을 내딛게 된 것이다.

 

우리 태양의 경우 형성시부터 전체 물질에 존재하는 리튬함유량은 1%밖에 되지 않는다.

 

우리 태양보다 어린 태양의 쌍둥이 별을 관측한 결과는 어린 별들에서 상당히 더 많은 양의 리튬을 함유하고 있는 것으로 나타났다.
그러나 아직까지 과학자들은 별의 연령과 리튬 함유량간의 명확한 연관관계를 입증하지는 못하고 있었다. [3]

 

이번 논문의 수석 저자인 상파울로 대학의 탈라완다 몬로(TalaWanda Monroe)가 내린 결론은 다음과 같다. 
"우리는 HIP 102152의 리튬 함유량이 대단히 낮다는 것을 발견했습니다.
이러한 사실은 오래된 태양의 쌍둥이 별들이 우리 태양이나, 태양보다도 어린 연령의 쌍둥이 별보다도 훨씬 적은 리튬을 가지고 있다는 것을 사상 처음으로 명확하게 보여준 것이기도 합니다.
우리는 이러한 별들이 나이을 먹어갈수록 자신이 가지고 있는 리튬이 파괴되고 있다는 것을 확신할 수 있게 되었습니다.
따라서 우리 태양의 리튬 함유량은 그 나이로서는 적정한 수준이 되는 셈입니다."[4]
 

이 이야기에서 마지막 남은 매듭은 HIP 102152가 비정상적인 화학적 조성 패턴을 가지고 있다는 것으로서
이것은 다른 대부분의 태양의 쌍둥이 별들과 비교할 때는 묘하게 다른 점이 되는 한편 태양과는 유사한 특성이 되고 있다는 점이다.

HIP 102152와 태양 모두, 운석이나 지구에는 풍부하게 존재하는 원소가 결핍되어 있는 양상을 보여주고 있다.

이러한 사실 역시 HIP 102152가 지구와 같은 암석질 행성을 거느릴 가능성이 있다는 강력한 단서가 되고 있다. [5]

 

 

그림2> 이 표는 염소자리에서 주목할만한 태양의 쌍둥이 별인 HIP 102152의 위치를 보여주고 있다. 
어둡고 청명한 밤하늘에서라면 대부분의 별들은 육안으로도 관측할 수 있으며 HIP 102152는 붉은 색 원으로 표시되어 있다. 
HIP 102152는 지금까지 발견된 태양의 쌍둥이 별로서는 가장 오래된 별이다. 
이 별은 너무 희미해서 육안으로 볼 수는 없지만 작은 망원경만 있다면 쉽게 볼 수 있다. 

 

각주

[1] 많은 사람들이 쌍둥이 역설을 들어봤을 것이다. : 쌍둥이 중 한 명이 우주선을 타고 여행을 하고 지구에 돌아오면 자신의 쌍둥이 형제보다 더 젊어지게 된다. 비록 이 내용에는 시간 여행이 포함되어 있지 않지만, 우리는 이 두 개의 비슷한 별에서 - 다른 생애주기에 머물러 있는 태양의 특정 시기를 떼어내면 - 서로 다른 명확한 나이차를 보게 된다.

 

[2] 태양의 쌍둥이 별(Solar twins), 태양과 유사한 별(solar analogues), 태양유형의 별(solar-type stars)들은 이 별들이 우리 태양에 대해 가진 유사성을 근거로 구분된다.  '태양의 쌍둥이 별'은 유사한 질량과 기온, 화학적 조성을 가진, 우리 태양과 가장 유사한 범주에 드는 별이다. 
'태양의 쌍둥이 별'에 속하는 별은 희귀하게 발견되지만 유사성이 약간 떨어지는 다른 유형의 별들은 훨씬 일반적으로 존재한다.

 

[3] 이전의 연구들은 비록 그 결과가 반박된 바 있긴 하지만(ann1046), 별의 리튬 함유량은 이 별이 거대 행성을 거느릴 수 있는지 여부에도 영향을 미칠수 있다고 지적한 바 있다. (eso0942, eso0118, 네이처 지)

 

[4] 비록 별의 표면에 존재하는 리튬이 보다 깊은 곳으로 빠져들어가 파괴된다는 몇몇 과정이 제안된바 있긴 하지만 리튬이 어떻게 별 내부에서 파괴되는지에 대해서는 여전히 명확하지 않은 상태이다.
   

[5] 우리가 일반적으로 암석질 천체에서 발견할 수 있는 원소들이 별에 적게 포함되어 있다면, 이는 이 별이 암석질의 지구형 행성을 거느리고 있을 수 있음을 말해주는 것이 된다. 왜냐하면 이와 같은 행성들이 별을 둘러싼 거대 원반으로부터 형성될 때, 해당 원소들을 가둬버렸기 때문에 별에는 그 원소들이 부족 하다는 점을 추측해 볼 수 있기 때문이다.     
HIP 102152 가 지구와 같은 암석질 행성을 거느릴 가능성이 있다는 가정은 ESO의 HARPS 분광기를 이용한 이 별의 시선속도 모니터링 결과에 의해 더더욱 지지를 받고 있다.  모니터링 결과는 이 별의 생명체 거주 가능 지역 내에 일체의 거대 행성들이 존재하지 않는다는 점을 알려주고 있다.  이러한 사실은 HIP 102152 주변에 지구와 같은 행성의 존재 가능성을 암시하는 것이 된다. 별로부터 가까운 곳에 거대 행성이 존재하는 행성계에서는 지구형 행성을 찾을 가능성은 현저하게 줄어들게 된다. 왜냐하면 작은 규모의 암석질 행성은 거대 행성에 의해 생성이 방해받기도 하고 파괴되기도 하기 때문이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2013년 8월 28일자
          http://www.eso.org/public/news/eso1337/

 

 

원문>

그림1>

The life cycle of a Sun-like star (annotated)

This image tracks the life of a Sun-like star, from its birth on the left side of the frame to its evolution into a red giant star on the right. on the left the star is seen as a protostar, embedded within a dusty disc of material as it forms. It later becomes a star like our Sun. After spending the majority of its life in this stage, the star's core begins to gradually heat up, the star expands and becomes redder until it transforms into a red giant.

 

Following this stage, the star will push its outer layers into the surrounding space to form an object known as a planetary nebula, while the core of the star itself will cool into a small, dense remnant called a white dwarf star.

 

Marked on the lower timeline are where our Sun and solar twins 18 Sco and HIP 102152 are in this life cycle. The Sun is 4.6 billion years old and 18 Sco is 2.9 billion years old, while the oldest solar twin is some 8.2 billion years old —  the oldest solar twin ever identified. By studying HIP 102152, we can get a glimpse of what the future holds for our Sun.

 

This image is illustrative; the ages, sizes, and colours are approximate (not to scale). The protostar stage, on the far left of this image, can be some 2000 times larger than our Sun. The red giant stage, on the far right of this image, can be some 100 times larger than the Sun.

Credit:

ESO/M. Kornmesser

 

Oldest Solar Twin Identified

ESO’s VLT provides new clues to help solve lithium mystery

28 August 2013

An international team led by astronomers in Brazil has used ESO’s Very Large Telescope to identify and study the oldest solar twin known to date. Located 250 light-years from Earth, the star HIP 102152 is more like the Sun than any other solar twin — except that it is nearly four billion years older. This older, but almost identical, twin gives us an unprecedented chance to see how the Sun will look when it ages. The new observations also provide an important first clear link between a star’s age and its lithium content, and in addition suggest that HIP 102152 may be host to rocky terrestrial planets.

 

Astronomers have only been observing the Sun with telescopes for 400 years — a tiny fraction of the Sun’s age of 4.6 billion years. It is very hard to study the history and future evolution of our star, but we can do this by hunting for rare stars that are almost exactly like our own, but at different stages of their lives. Now astronomers have identified a star that is essentially an identical twin to our Sun, but 4 billion years older — almost like seeing a real version of the twin paradox in action [1].

 

Jorge Melendez (Universidade de São Paulo, Brazil), the leader of the team and co-author of the new paper explains: “For decades, astronomers have been searching for solar twins in order to know our own life-giving Sun better. But very few have been found since the first one was discovered in 1997. We have now obtained superb-quality spectra from the VLT and can scrutinise solar twins with extreme precision, to answer the question of whether the Sun is special.”

 

The team studied two solar twins [2] — one that was thought to be younger than the Sun (18 Scorpii) and one that was expected to be older (HIP 102152). They used the UVES spectrograph on the Very Large Telescope (VLT) at ESO's Paranal Observatory to split up the light into its component colours so that the chemical composition and other properties of these stars could be studied in great detail.

 

They found that HIP 102152 in the constellation of Capricornus (The Sea Goat) is the oldest solar twin known to date. It is estimated to be 8.2 billion years old, compared to 4.6 billion years for our own Sun. on the other hand 18 Scorpii was confirmed to be younger than the Sun — about 2.9 billion years old.

 

Studying the ancient solar twin HIP 102152 allows scientists to predict what may happen to our own Sun when it reaches that age, and they have already made one significant discovery. “One issue we wanted to address is whether or not the Sun is typical in composition,” says Melendez. “Most importantly, why does it have such a strangely low lithium content?”

 

Lithium, the third element in the periodic table, was created in the Big Bang along with hydrogen and helium. Astronomers have pondered for years over why some stars appear to have less lithium than others. With the new observations of HIP 102152, astronomers have taken a big step towards solving this mystery by pinning down a strong correlation between a Sun-like star’s age and its lithium content.

Our own Sun now has just 1% of the lithium content that was present in the material from which it formed. Examinations of younger solar twins have hinted that these younger siblings contain significantly larger amounts of lithium, but up to now scientists could not prove a clear correlation between age and lithium content [3].

 

TalaWanda Monroe (Universidade de São Paulo), the lead author on the new paper, concludes: “We have found that HIP 102152 has very low levels of lithium. This demonstrates clearly for the first time that older solar twins do indeed have less lithium than our own Sun or younger solar twins. We can now be certain that stars somehow destroy their lithium as they age, and that the Sun's lithium content appears to be normal for its age.” [4]

 

A final twist in the story is that HIP 102152 has an unusual chemical composition pattern that is subtly different to most other solar twins, but similar to the Sun. They both show a deficiency of the elements that are abundant in meteorites and on Earth. This is a strong hint that HIP 102152 may host terrestrial rocky planets [5].

 

Notes

 

[1] Many people have heard of the twin paradox: one identical twin takes a space journey and comes back to Earth younger than their sibling. Although there is no time travelling involved here, we see two distinctly different ages for these two very similar stars — snapshots of the Sun’s life at different stages.

 

[2] Solar twins, solar analogues and solar-type stars are categories of stars according to their similarity to our own Sun. Solar twins are the most similar to our Sun, as they have very similar masses, temperatures, and chemical abundances. Solar twins are rare but the other classes, where the similarity is less precise, are much more common.

 

[3] Previous studies have indicated that a star’s lithium content could also be affected if it hosts giant planets (eso0942, eso0118, Nature paper), although these results have been debated (ann1046).

 

[4] It is still unclear exactly how lithium is destroyed within the stars, although several processes have been proposed to transport lithium from the surface of a star into its deeper layers, where it is then destroyed.

 

[5] If a star contains less of the elements that we commonly find in rocky bodies, this indicates that it is likely to host rocky terrestrial planets because such planets lock up these elements as they form from a large disc surrounding the star. The suggestion that HIP 102152 may host such planets is further reinforced by the radial velocity monitoring of this star with ESO's HARPS spectrograph, which indicates that inside the star’s habitable zone there are no giant planets. This would allow the existence of potential Earth-like planets around HIP 102152; in systems with giant planets existing close in to their star, the chances of finding terrestrial planets are much less as these small rocky bodies are disturbed and disrupted.

 

More information

 

This research was presented in a paper to appear in “High precision abundances of the old solar twin HIP 102152: insights on Li depletion from the oldest Sun”, by TalaWanda Monroe et al. in the Astrophysical Journal Letters.

 

The team is composed of TalaWanda R. Monroe, Jorge Meléndez (Universidade de São Paulo, Brazil [USP]), Iván Ramírez (The University of Texas at Austin, USA), David Yong (Australian National University, Australia [ANU]), Maria Bergemann (Max Planck Institute for Astrophysics, Germany), Martin Asplund (ANU), Jacob Bean, Megan Bedell (University of Chicago, USA), Marcelo Tucci Maia (USP), Karin Lind (University of Cambridge, UK), Alan Alves-Brito, Luca Casagrande (ANU), Matthieu Castro, José-Dias do Nascimento (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Brazil), Michael Bazot (Centro de Astrofísica da Universidade de Porto, Portugal) and Fabrício C. Freitas (USP).

 

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

 

Links

 

• Research paper
• FAQ about ESO and Brazil
• Photos of the VLT

 

Contacts

 

TalaWanda R. Monroe
Universidade de São Paulo
São Paulo, Brazil
Tel: +55 11 3091 2815
Email: tmonroe - at - usp.br (replace "- at - " with "@")

 

Jorge Meléndez
Universidade de São Paulo
São Paulo, Brazil
Tel: +55 11 3091 2840
Email: jorge.melendez@iag.usp.br

 

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

 

사진1>

Image of HIP 102152

This image shows solar twin HIP 102152, a star located 250 light-years from Earth in the constellation of Capricornus (The Sea Goat).

 

HIP 102152 is more like the Sun than any other solar twin — apart from the fact that it is nearly four billion years older, giving us an unprecedented chance to study how the Sun will look when it ages. It is the oldest solar twin identified to date, and was studied by an international team using ESO’s Very Large Telescope, led by astronomers in Brazil.

 

The different colours of the star are caused by the star moving slightly between the two exposures, many years apart.

Credit:

ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

 

사진2>

Wide-field view of the region around Sun-like star HIP 102152

This wide-field view captures the solar twin HIP 102152 in the constellation of Capricornus (The Sea Goat).

 

Located 250 light-years from Earth, HIP 102152 is more like the Sun than any other solar twin — apart from the fact that it is nearly four billion years older, giving us an unprecedented chance to study how the Sun will look when it ages. It is the oldest solar twin identified to date, and was studied by an international team using ESO’s Very Large Telescope, led by astronomers in Brazil.

Credit:

ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

 

그림2>

The Solar Twin HIP 102152 in the constellation of Capricornus

This chart shows the location of the remarkable Solar Twin star HIP 102152 in the constellation of Capricornus (The Sea Goat). Most of the stars visible to the unaided eye on a dark clear night are shown and the position of the star is shown with a red circle. HIP 102152 is the oldest Solar Twin ever found. It is too faint to see with the unaided eye but can easily be picked up with a small telescope.

Credit:

ESO/IAU/Sky and Telescope