베타 픽토리스(Beta Pictoris) 주변의 일산화탄소 가스 덩어리

 

Credit: NASA's Goddard Space Flight Center/F. Reddy

 

그림> 이 상상화는 베타 픽토리스에 대한 ALMA의 관측 자료를 설명하는, 가장 그럴듯한 가설을 묘사하고 있다. 

ALMA를 이용한 이번 새로운 관측은 이 원반에 일산화탄소 가스가 베어 있음을 보여주고 있다.

일산화탄소의 존재는 베타 픽토리스 행성계가 궁극적으로 생명이 거주할만한 환경이 되었음을 의미하는 것일 수도 있다.

이 행성계의 외곽 경계에 인력을 행사하는 가상의 거대 행성(하단 왼쪽)이 있고, 이 인력에 사로잡힌 빽빽하게 존재하는 혜성들이 자주 충돌을 일으키고 있음이 표현되어 있다.  

 

베타 픽토리스(Beta Pictoris) 주변의 일산화탄소 가스 덩어리를 설명하는 혜성 충돌 가설

천문학자들이 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열 망원경(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용하여 베타 픽토리스(Beta Pictoris)라는 별 주위의 먼지원반에서 예상치 못한 일산화탄소 가스 더미의 발견을 보고하였다.

이것은 매우 놀라운 현상이다. 

일산화탄소는 별빛에 의해 빠르게 파괴되는 가스이기 때문이다.

이 가스가 지속적으로 보충될만한 무언가가 - 아마도 가장 자주 발생하는 것으로는 혜성과 같은 작은 얼음 천체간의 충돌이 -  필연적으로 발생한 것이다.

이번 발견은 오늘(2014년 3월 6일) 사이언스 지에 발표되었다.

 

화가자리 베타별은 지근거리에 위치하고 있어 남반구의 하늘에서 육안으로도 쉽게 찾아볼 수 있는 별이며 전형적인 갓 태어난 행성계로서 이미 주목받고 있는 별이다.

 

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표 1> 화가 자리에 존재하는 베타 픽토리스의 위치에 원이 쳐져 있다.

이름에서 알 수 있듯 이 별은 화가 자리에서 두 번째로 밝은 별이다.

이 표에 표시된 대부분의 별들은 어두운 밤하늘에서라면 육안으로 관측이 가능한 별들이다.

 

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진> 1200만 년밖에 되지 않은, 우리 태양 연령의 3천분의 1도 되지 않는 베타 픽토리스의 질량은 우리 태양 질량의 75% 정도 수준이다.

화가 자리 방향으로 60광년 거리에 위치하고 있는 이 별은 별 주위를 둘러싼 먼지 파편 원반의 예로 가장 잘 알려진 별들 중 하나이다.

이전 관측에서는 이 원반이 구부러져 있고, 원반이 기울어져 있으며 혜성들이 별로 추락하고 있음이 간접적으로 관측된 바 있다.

그러나 이러한 작용들은 이곳에 무거운 질량의 행성이 존재함을 강력하게 시사하고 있는 것이었다.

ESO의 VLT에 장착된 NACO 장비를 활용한  2003년과 2008년, 2009년의 관측 자료를 통해 베타 픽토리스 주변에 행성이 존재한다는 것이 증명되었다.

이 행성은 지구 태양거리의 8배에서 15배 정도 거리에 존재하고 있으며 이는 대략 태양부터 토성까지의 거리에 해당한다.

이 행성은 대략 목성의 9배 질량을 가지고 있을 것으로 예측되는데,  이 정도 질량과 위치는 먼지 원반의 안쪽 부분이 구부러져 있는 현상을 설명할 수 있는 수준이다.

DSS2의 데이터를 기반으로 한 이 사진은 베타 픽토리스 주변 1.7도 X 2.3도 영역을 보여주고 있다.

 

 

이 별은 12억킬로미터 거리를 공전하는 행성을 품고 있으며, 먼지 잔해가 별의 주위에 거대한 원반을 형성하고 있음이 발견된 첫번째 별들 중 하나이다.[1] 

 

ALMA를 이용한 이번 새로운 관측은 이 원반에 일산화탄소 가스가 베어 있음을 보여주고 있다.

 

지구에서는 인간에게 매우 유해한 가스임에도 역설적으로 일산화탄소의 존재는 베타 픽토리스의 행성계가 궁극적으로 생명이 거주할만한 환경이 되었음을 의미하는 것일 수도 있다.

이 행성계의 행성들에게 현재 진행되고 있는 혜성들의 맹렬한 폭격은 생명체의 발생을 촉발시킬 수 있는 물을 공급해 줄 수 있을 것이다.[2]

 

그러나 일산화탄소는 별빛의 의해 쉽고 빠르게 분해된다.
베타 픽토리스 원반에서 발견된 일산화탄소가 머무는 지역의 경우 오직 100년 정도만 지속될 수 있을 뿐이다.

고작 2천만 살 이내인 베타 픽토리스 원반의 연령을 고려했을 때 이는 정말 놀라운 일이다.

 

그렇다면 이 일산화탄소는 어디에서 온 것이며, 왜 이 가스는 여전히 그곳에 남아 있는 것일까?

 

칠레 산티아고 ALMA 사무실에 주재하는 ESO 천문학자이자 이번 논문의 수석 저자인 빌 덴트( Bill Dent)의 설명은 다음과 같다.
"우리가 매우 특별한 시간대에 베타 픽토리스를 관측한 것이 아니라면, 일산화 탄소는 지속적으로 보충되고 있음에 틀림 없습니다.

갓 태어난 행성계에서 일산화탄소를 가장 많이 발생시키는 원천은  작게는 혜성에서 크게는 행성 사이즈의 천체까지, 얼음으로 된 천체들간의 충돌이라는 사건이죠."

 

그러나 이러한 파괴 현상이 매우 높은 비율로 발생되고 있어야 한다는 조건이 있다. :
NASA 고다드 연구센터의 천문학자이자 이번 논문의 공동저자인 아키 로버그(Aki Roberge)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 우리가 관측한 분량의 일산화탄소가 발생하려면 충돌의 발생비유는 정말 놀랄 정도여야 합니다.
하나의 거대한 혜성이 매 5분마다 충돌해야 하는 것이죠.
이와 같은 비율로 충돌이 발생하려면 그 행성계는 무거운 혜성들이 떼로 몰려 있는 대단히 빽빽한 행성계여야 합니다."
 
그런데 ALMA의 관측자료에서 또하나 놀라운 것은 단순히 일산화탄소가 발견되었다는 것뿐 아니라, 위치와 속도 모두를 한꺼번에 측정할 수 있는 ALMA의 독보적인 능력을 이용하여 원반상에서 그 위치도 알 수 있다는 데 있다.
이 가스는 하나의 덩어리로 몰려 있었던 것이다.

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) and NASA's Goddard Space Flight Center/F. Reddy

 

표 2> 베타 픽토리스 주위의 일산화탄소에 대한 ALMA의 관측자료(상단)를, 이 행성계를 위에서 내려다보는 각도로 전개시킨 이 그림은 행성계 외곽에 존재하는 거대한 일산화탄소 가스의 집중양상을 보여주고 있다.

비교를 위해 우리 태양계 행성 공전궤도도 같이 표현되어 있다.

 

일산화탄소가 집중되어 있는 곳은 별로부터 130억 킬로미터 거리에 위치하고 있는데 이는 태양과 해왕성 거리의 대략 3배 정도에 해당하는 거리이다.

왜 일산화탄소가 이렇게 작은 덩어리로, 왜 이렇게 별로부터 멀리 떨어져 있는지는 여전히 수수께끼이다.

 

영국 캠브리지 대학의 천문학자이자 이번 논문의 공동저자인 마크 와트(Mark Wyatt)는 이 가스 덩어리가 이 어린 행성계의 외곽지역에 무슨 일이 벌어지고 있는지를 알려주는 중요한 단서라고 말했다.

 

마크가 설명한 이러한 가스 덩어리가 생성될 수 있는 두 가지 가정은 다음과 같다.
"아직 발견되지 않은 토성 정도 질량의 행성이 인력을 행성하여 좁은 지역내에서 행성의 충돌이 집중되고 있는 것일 수도 있고, 아니면 화성 정도 질량을 가진 두 개의 행성이 파국적인 충돌을 맞으면서 발생한 잔해를 보는 것일 수도 있습니다."

 

어떤 가설이든, 이는 천문학자들로 하여금 베타 픽토리스 주변에 더 많은 행성이 발견을 기다리고 있을 것이라는 낙관적인 설명의 이유가 될 수 있다.

로버그가 덧붙인 설명은 다음과 같다.
"일산화탄소는 그 시초에 해당하죠. 아마도 이들 얼음질 천체들로부터 유기체 이전단계의 복잡한 분자들이 발생했을 것입니다."

 

여전히 탐사능력을 끌어올리고 있는 ALMA를 활용한 추가 관측이 예정되어 있어 이 흥미로운 행성계에 대해 좀 더 많은 정보를 알게 될 것이며, 이를 통해 우리 태양계가 형성되던 당시가 어떤 환경이었을지를 이해하는데 도움이 될  것이다.

 

각주

[1] 많은 별들이 잔해 원반으로 알려져 있는 먼지 구름에 휘감겨 있다.

이 원반은 별의 주위를 공전하는 바위 덩어리들의 연속적인 충돌의 결과물이다.
이는 영화 그레비티에서 묘사된 우주 정거장의 파괴양상과 비슷한데 물론 훨씬 거대한 스케일로 발생하는 것이다. 
베타 픽토리스에 대한 이전 관측 자료들은 하기 링크에서 확인할 수 있다.
      http://www.eso.org/public/news/eso1024/
      http://www.eso.org/public/news/eso0842/

 

[2] 혜성은 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 메탄의 얼음을 가지고 있는데, 가장 많이 존재하는 성분은 먼지와 물 얼음의 혼합물이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 3월 6일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1408/

 

 

참고 : 화가자리 베타별을 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346972
           
참고 : 각종 외계행성에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

 

원문>

Crashing Comets Explain Surprise Gas Clump Around Young Star

ALMA reveals an enigmatic gas clump in debris disc around Beta Pictoris

6 March 2014

Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope in northern Chile have today announced the discovery of an unexpected clump of carbon monoxide gas in the dusty disc around the star Beta Pictoris. This is a surprise, as such gas is expected to be rapidly destroyed by starlight. Something — probably frequent collisions between small, icy objects such as comets — must be causing the gas to be continuously replenished. The new results are published today in the journal Science.

Beta Pictoris, a nearby star easily visible to the naked eye in the southern sky, is already hailed as the archetypal young planetary system. It is known to harbour a planet that orbits some 1.2 billion kilometres from the star, and it was one of the first stars found to be surrounded by a large disc of dusty debris [1].

New observations from ALMA now show that the disc is permeated by carbon monoxide gas. Paradoxically the presence of carbon monoxide, which is so harmful to humans on Earth, could indicate that the Beta Pictoris planetary system may eventually become a good habitat for life. The cometary bombardment that its planets are currently undergoing is likely providing them with life-enabling water [2].

But carbon monoxide is easily and rapidly broken up by starlight — it can only last about 100 years where it is observed in the Beta Pictoris disc. Seeing it in the 20-million year old Beta Pictoris disc is a complete surprise. So where did it come from, and why is it still there?

“Unless we are observing Beta Pictoris at a very unusual time, the carbon monoxide must be continuously replenished,” said Bill Dent, an ESO astronomer at the Joint ALMA Office in Santiago, Chile, and lead author on a paper published today in the journal Science. “The most abundant source of carbon monoxide in a young solar system is collisions between icy bodies, from comets up to larger planet-sized objects.”

But the rate of destruction must be very high: “To get the amount of carbon monoxide we observe, the rate of collisions would be truly startling — one large comet collision every five minutes,” noted Aki Roberge, an astronomer at NASA’s Goddard Research Center in Greenbelt, USA, and coauthor of the paper. “To get this number of collisions, this would have to be a very tight, massive comet swarm.”

But there was another surprise in the ALMA observations, which did not just discover the carbon monoxide, but also mapped its location in the disc, through ALMA’s unique ability to simultaneously measure both position and velocity: the gas is concentrated in a single compact clump. This concentration lies 13 billion kilometres from the star, which is about three times the distance of Neptune from the Sun. Why the gas is in this small clump so far from the star is a mystery.

“This clump is an important clue to what is going on in the outer reaches of this young planetary system,” says Mark Wyatt, an astronomer at the University of Cambridge, UK, and a co-author on the paper. He goes on to explain that there are two ways such a clump can form: “Either the gravitational pull of an as yet unseen planet similar in mass to Saturn is concentrating the cometary collisions into a small area, or what we are seeing are the remnants of a single catastrophic collision between two icy Mars-mass planets”.

Both of these possibilities give astronomers reason to be optimistic that there are several more planets waiting to be found around Beta Pictoris. “Carbon monoxide is just the beginning — there may be other more complex pre-organic molecules released from these icy bodies,” adds Roberge.

Further observations are planned with ALMA, which is still ramping up to its full capabilities, to shed more light on this intriguing planetary system, and so help us to understand what conditions were like during the formation of the Solar System.

Notes

[1] Many stars are surrounded by swirling clouds of dust, known as debris discs.They are the remains of a collisional cascade of the rocks in orbit around the star, much like the collisional breakup of the space station depicted in the movie Gravity (but on a much larger scale). Earlier observations of Beta Pictoris were reported in eso1024 and eso0842.

[2] Comets contain ices of carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia and methane, but the majority component is a mixture of dust and water ice.

More information

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

This research was presented in a paper entitled “Molecular Gas Clumps from the Destruction of Icy Bodies in the β Pictoris Debris Disk” to appear in the journal Science on 6 March 2014.

The team is composed of W.R.F. Dent (Joint ALMA Office, Santiago, Chile [JAO]), M.C. Wyatt (Institute of Astronomy, Cambridge, UK [IoA]), A. Roberge (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbank, USA), J.-C. Augereau (Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, France [IPAG]), S. Casassus (Universidad de Chile, Santiago, Chile), S. Corder (JAO), J.S. Greaves (University of St. Andrews, UK), I. de Gregorio-Monsalvo (JAO), A. Hales (JAO), A.P.Jackson (IoA), A. Meredith Hughes (Wesleyan University, Middletown, USA), A.-M. Lagrange (IPAG), B. Matthews (National Research Council of Canada, Victoria, Canada) and D. Wilner (Smithsonian Astrophysical Observatory, Cambridge, USA).

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”.

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