백색왜성 GD 61 주변에서 발견된 물을 풍부하게 함유하고 있는 행성잔해들

 

Artwork Credit: NASA, ESA, M.A. Garlick (space-art.co.uk), University of Warwick, and University of Cambridge,  Science Credit: NASA, ESA, J. Farihi (University of Cambridge), B. Gansicke (University of Warwick), and D. Koester (University of Kiel)

 

그림1> 이 그림은 백색왜성 GD 61의 강력한 중력 작용에 의해 산산이 부서지고 있는, 풍부한 물을 가진 소행성의 모습을 그린 상상화이다.

우리 태양계에서도 유사한 천체들이 물을 지구로 날라온 것으로 보이며, 지구형 행성을 만든 벽돌 역할을 수행한 것으로 보인다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 상당한 양의 물을 보유할 가능성이 있는, 고체 행성의 재료가 되는 파편들을 찾아냈다.

현재 GD 61이라 불리는 백색왜성 주위를 공전하고 있는 이 암석질 잔해들은 자신의 별이 연료를 모두 소진한 뒤에도 살아남은 행성계의 유물인 것으로 보인다.

 

연구원들은  - 약 150광년 떨어져 있으며 생명주기를 끝낸 것으로 보이는 - 지구와 같은 행성을 갖추고 있었을 잠재적인 가능성이 있는 외계행성계를 발견한 것이라고 말하고 있다.

 

영국 캠브리지 대학의 제이 파리하이(Jay Farihi)의 설명은 다음과 같다.
"물을 풍부하게 가지고 있는 이 잔해들과 이 잔해들이 뭉쳐져 만들어지는 암석질 행성은 사실 일반적인 현상일지도 모릅니다.
이 행성계는 소행성만한 크기의 천체들을 만들지 못하고 있으며, 행성의 형성 역시 그치지 않고 있는 행성계로서, GD 61은 이들 행성들의 표면에 많은 양의 물을 배분할만한 재료들을 가지고 있었습니다."

 

비록 어떤 유형의 행성의 형성이 가능했을지를 정확하게 예견하는 것은 어렵지만 파리하이가 강조하는 것은 다음과 같다.
"우리 연구결과는 외계 행성계에도 생명체가 거주할 수 있을 만한 행성의 가능성이 있었다는 것을 명확하게 보여주고 있습니다.
이 행성계는 거의 확실하게(아직은 가능성일 뿐이지만) 행성을 보유하고 있었으며 이 행성표면에 충분한 양의 물을 배분할만한 재료들이 있습니다."

 

이번 새로운 연구 결과는 사이언스지에 오늘 발표되었다.

 

파리하이가 이끄는 연구팀은 허블의 COS(Cosmic Origins Spectrograph)를 활용하여  GD 61로 떨어지는 암석 부스러기들에 대해 지난한 화학분석을 수행하였다.

연구원들은 이번 발견이 행성의 크기와 밀도를 측정한 다른 선구적인 천문관측을 보완하는 결과이긴 하지만 이것이 이 행성들의 실제적인 구성성분을 밝히는 것은 아니라고 말했다.

 

파리하이의 이어지는 설명은 다음과 같다.
"멀리 떨어진 행성들이 무엇으로 구성되어 있는가를 알 수 있는 유일한 방법은 그것을 분해해 보는 것입니다.
그런데 자연은 이런 일을 실제로 수행하죠.
백색왜성의 강력한 중력 조석 작용이 이러한 일을 해주고 있는 것입니다.
이번 기술은 우리로 하여금 행성을 형성하는 벽돌의 화학적 성분을 들여다볼 수 있게 해주는 거랍니다.
이것은 또다른 방법으로 외계 행성을 관측하는 완전히 독립적인 방법이죠."

 

백색왜성 GD 61은 한때 우리 태양보다 더 뜨겁고 밝게 빛나던 별의 화석이다.

이 별이 자신의 연료를 모두 소진한 것은 고작 15억년 전이었다.(우리 태양의 경우는 앞으로 열 배 이상 더 길게 유지될 것이다.)

 

NASA의 원자외선 우주탐사위성(Far Ultraviolet Space Explorer, FUSE)은 2008년 이 왜성의 대기에서 산소가 풍부하게 존재한다는 것을 처음으로 발견한 바 있다.

그리고 마침내 천문학자들은 물질들이 이 별로 추락하면서 그 대기를 오염시키고 있다는 것을 알아내게 되었다.

 

백색왜성은 일반적으로 순수한 수소와 헬륨의 대기를 가지고 있다.

 

이러한 "오염된 백색왜성"의 시나리오는 2011년 스피처 우주망원경의 관측 결과에 의해 뒷받침되었으며 이는 이 별로 추락하여 원시 대기를 오염시키고 있는 파편들을 포함한, 단단하게 조여져 있는 원반 공전체를 가지고 있다는 점을 알려주고 있는 것이었다.

GD 61을 둘러싼 파편들에 존재하는 산소의 정확한 양을 측정하기 위한 유일한 방법은 자외선을 통해 관측하는 것인데, 이는 지구 대기 바깥에서나 수행이 가능한 일이다.

연구팀은 허블 우주망원경에 탑재된 COS를 활용하여 필요한 데이터를 얻을 수 있었다.

 

COS 관측 자료는 이후 독일 킬 대학의 데트레프 코이스터(Detlev Koester)에 의해 백색왜성의 대기에서 파생된 원소의 조성에 대한 컴퓨터 모델을 활용하여 분석되었다.

하와이 마우나 케아 정상에 위치한 켁 천문대에서 수행된 이전 연구 자료와 결합하여 연구팀은 산소와 함께 암석의 주요 구성성분인 마그네슘과 규소, 철도 탐지해 낼 수 있었다.

연구원들은 산소에 대한 이들 원소들의 상대적인 숫자를 카운팅하여 백색왜성의 대기에서 반드시 존재할 것으로 예상되는 산소의 양을 예견할 수 있었다.

연구원들은 여기서 암석의 미네랄 성분으로만 생성이 가능한 산소의 양보다 훨씬 만은 산소들이 존재한다는 중요한 발견을 할 수 있었다.

 

영국 코벤트리, 워릭 대학교의 보리스 갠지케(Boris Gänsicke)의 설명은 다음과 같다.

"이러한 초과분의 산소는 물이나 일산화탄소 또는 이산화탄소에 의해 생성이 가능합니다.
이 별에는 사실상 탄소는 존재하지 않는데, 이는 이곳에 이미 현저한 양의 물이 이전부터 게속 존재했음을 가리키는 것이랍니다."
그는 또한 이곳에서 아주 적은 양의 탄소만이 관측되는데 이러한 결과는 물의 생성 기원으로서 혜성의 역할을 배제하는 결과라고 덧붙였다. 
혜성의 경우는 풍부한 양의 물과 탄소 화합물을 가지고 있다.

 

이번 연구 과정에서 연구팀은 거의 100여개에 달하는 백색왜성을 관측하였다.

분석은 계속 진행되고 있지만 연구팀은 최소한 20%정도의 왜성에서 행성 잔해의 증가 양상을 보여줄 것으로 기대하고 있으며 이러한 수치는 아마도 50%까지 증가할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

어떻게 소행성들이 별의 잔해에 떨어질 수 있을가?

현존하는 최상의 모델은 우리 목성이 어떻게 소행성 벨트의 소행성들을 뒤흔들고 있는가에 기반을 두고 있다.

소행성 벨트의 커크우드 간극(The Kirkwood Gaps)은 목성에 의해 에너지를 잃은 소행성들과 간혹 태양으로 추락한 소행성들에 의해 만들어진 공간이다.

 

스피처 우주망원경을 활용한 적외선 관측은 한때 우리 태양과 비슷했을 GD 61의 원시 별이 우리의 소행성 벨트에 해당하는 파편으로 구성된 벨트를 가지고 있을 것이라는 점을 알려주었다.

그리고 흥미롭게도 이 행성계에는 아마도 하나 이상의 행성들에 의해 만들어진 것으로 보이는 간극이 안쪽 벨트와 바깥쪽 벨트 사이에 보인다고 연구원들은 말하고 있다.

 

파렌하이는 소행성 벨트 다음으로 행성이 존재하며 소행성들을 자신의 별로 던져버리는 이러한 패턴은 행성계에서 일반적으로 발생하는 구조일지 모른다고 말했다.

 

지구는 본질적으로 전체 질량의 0.02퍼센트에 해당하는 물만을 가지고 있는 '건조한' 행성이다.

따라서 대양은 지구가 형성되고 한참 후에 물을 풍부하게 가지고 있던 소행성이 지구에 충돌하면서 만들어졌을 가능성이 크다.

이번 발견은 동일한 '물배달 시스템'이 죽어가고 있는 별을 가진 이 머나먼 외행성계에도 - 아마도 지구에 물을 가져다 주었을 소행성과 동일한 유형의, 물을 풍부하게 가지고 있는 소행성을 포함하고 있다는 최근의 발견이 가리키는 바와 같이 -발생할 수 있음을 보여주고 있는 것이다

지금으로부터 60억년이 흐른 후 외계인 천문학자는 연료를 모두 소진하고 다 타버린 우리 태양의 대기에서 유사하게 풍부하게 존재하는 물들을 측정하고 한때 이 별의 주위에 암석질 행성들이 공전하고 있었다는 동일한 결론을 내리게 될지도 모른다.

 

비록 이 왜성의 원시별은 우리 태양과는 다른 별이지만 그럼에도 불구하고 이번 발견은 우리의 미래를 보여주는 것이라고 Gansicke는 말했다.

 

* 출처 : 허블사이트 2013년 10월 10일 발표 뉴스
             http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/38

 

참고 : 다양한 별에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972 

참고 : '오염된 백색왜성' 시나리오에 대한 2013년 5월 9일 허블사이트 발표뉴스
         https://big-crunch.tistory.com/12346589

 

원문>

그림1>

Artist's View of Watery Asteroid in White Dwarf Star System GD 61

 

This is an artist's impression of a rocky and water-rich asteroid being torn apart by the strong gravity of the white dwarf star GD 61. Similar objects in our solar system likely delivered the bulk of water on Earth and represent the building blocks of the terrestrial planets.

Image Type: Artwork

 

Artwork Credit: NASA, ESA, M.A. Garlick (space-art.co.uk), University of Warwick, and University of Cambridge

Science Credit: NASA, ESA, J. Farihi (University of Cambridge), B. Gänsicke (University of Warwick), and D. Koester (University of Kiel)

 

 

 Water-rich Planetary Building Blocks Found Around White Dwarf

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have found the building blocks of solid planets that are capable of having substantial amounts of water. This rocky debris, currently orbiting a white dwarf star called GD 61, is considered a relic of a planetary system that survived the burnout of its parent star. The finding suggests that the star system — located about 150 light-years away and at the end of its life — had the potential to contain Earth-like exoplanets, the researchers say.

"These water-rich building blocks, and the terrestrial planets they assemble, may in fact be common. A system cannot create things as big as asteroids and avoid building planets, and GD 61 had the ingredients to deliver lots of water to their surfaces," according to Jay Farihi of the University of Cambridge, United Kingdom. Though it's hard to predict exactly what types of planets there might have been, Farihi emphasized that, "Our results demonstrate that there was definitely potential for habitable planets in this exoplanetary system. The system almost certainly had (and possibly still has) planets, and it had the ingredients to deliver lots of water to their surfaces."

The new research findings are reported today in the journal Science.

Observations made with Hubble's Cosmic Origins Spectrograph (COS) allowed the team, led by Farihi, to do a robust chemical analysis of the debris falling into GD 61. The discovery complements other leading astronomical observations that measure the size and density of planets, but not their actual composition, say researchers.

"The only feasible way to see what a distant planet is made of is to take it apart, and nature does this for us using the strong gravitational tidal forces of white dwarf stars," said Farihi. "This technique allows us to look at the chemistry that builds rocky planets, and is a completely independent method from other types of exoplanet observations."

The white dwarf GD 61 is a relic of a star that once burned hotter and brighter than our Sun. The star exhausted its fuel in just 1.5 billion years. (Our Sun will last roughly ten times as long.)

NASA's Far Ultraviolet Space Explorer (FUSE) first found an abundance of oxygen in the dwarf's atmosphere in 2008. Eventually astronomers realized that this was the telltale signature of material falling into the star and polluting its atmosphere. White dwarfs typically have pure hydrogen or pure helium atmospheres. The "polluted white dwarf" scenario was bolstered by NASA Spitzer Space Telescope observations in 2011, which showed that the star has a tightly orbiting disk containing debris that falls onto the star and contaminates the otherwise pristine atmosphere.

The only way to obtain a more precise measurement of the amount of oxygen in the debris around GD 61 requires observations in the ultraviolet, which can only be carried out above Earth's atmosphere. The team used COS aboard Hubble to obtain the required data. The COS observations were then analyzed by Detlev Koester of the University of Kiel, in Germany, using a computer model of the white dwarf atmosphere to derive the elemental abundances.

Combing their results with a previous study that used the W. M. Keck Observatory on the summit of Mauna Kea, Hawaii, the team also detected magnesium, silicon, and iron, which, together with oxygen, are the main components of rocks. By counting the number of these elements relative to oxygen the researchers were able to predict how much oxygen should be in the atmosphere of the white dwarf. They found significantly more oxygen than should have been carried by rocky minerals alone. "The oxygen excess can be carried by either water or carbon mono- or dioxide. In this star there is virtually no carbon, indicating there must have been substantial water," said Boris Gnsicke of the University of Warwick, in Coventry, United Kingdom. He added that the small amount of carbon seen in the white dwarf rules out comets as the source of water. Comets are rich in both water and carbon compounds.

In their Hubble survey the team observed nearly 100 white dwarfs. Analysis is still ongoing, but the team estimates that at least 20 percent of the dwarfs show ongoing accretion of planetary debris, and it could possibly be as high as 50 percent.

How do the asteroids fall into the stellar remnant? The best model at present is based on how Jupiter perturbs members of our main asteroid belt. The Kirkwood Gaps in the asteroid belt represent areas where asteroids lose energy to Jupiter and sometimes fall into the Sun.

Infrared observations using the Spitzer telescope show that Sun-like stars that are similar to the parent star of GD 61 have inner debris belts analogous to our main asteroid belt. And, interestingly, these systems appear to have a gap just outside their inner belts that may be caused by one or more planets, say the investigators. "It looks like a pattern of a planet next to an asteroid belt whose members get thrown into the star may be a common feature of solar systems," said Farihi.

Earth is essentially a "dry" planet, with only 0.02 percent of its mass as surface water. So oceans came long after it had formed, most likely when water-rich asteroids in the solar system crashed into our planet.

The new discovery shows that the same water "delivery system" could have occurred in this distant, dying star's solar system — as this latest evidence points to it containing a similar type of water-rich asteroid that would have first brought water to Earth.

Six billion years from now an alien astronomer measuring similar abundances in the atmosphere of our burned-out Sun may reach the same conclusion that terrestrial planets once circled our parent star. Though the progenitor star was different from our Sun, nevertheless, "it's a look into our future," said Gänsicke.

CONTACT

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

Jay Farihi
University of Cambridge
Institute of Astronomy
Cambridge CB3 0HA
+44 122 333 0896
jfarihi@ast.cam.ac.uk