허블 아카이브 데이터로부터 행성계 원반의 세부를 밝혀내다.

 

Image Credit: NASA, ESA, and R. Soummer and A. Feild (STScI) Science Credit: NASA, ESA, R. Soummer (STScI), and M. Perrin (STScI), L. Pueyo (STScI/Johns Hopkins University), C. Chen and D. Golimowski (STScI), J.B. Hagan (STScI/Purdue University), T. Mittal (University of California, Berkeley/Johns Hopkins University), E . Choquet, M. Moerchen, and M. N’Diaye (STScI), A. Rajan (Arizona State University), S. Wolff (STScI/Purdue University), J. Debes and D. Hines (STScI), and G. Schneider (Steward Observatory/University of Arizona)

 

사진1> 상단의 2개 사진은 허블우주망원경의 축적 데이터로부터 발견된 어린 별들을 둘러싸고 있는 먼지 원반을 보여주고 있다.
허블의 근적외선 카메라와 다중 분광계(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, 이하 NICMOS)가 근적외선을 이용하여 이를 관측했던 것은 2007년의 일이었다.

천문학자들은 코로나그래프를 이용하여 각 별의 밝은 빛을 차단함으로써 원반상에서 빛을 반사시키고 있는 희미한 입자들을 식별할 수 있었다.
하단의 사진은 이 먼지 원반의 모습을 묘사한 상상화이다.

천문학자들은 바바라 A. 미컬스키 우주망원경 데이터 아카이브(the Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes, 이하 MAST)로부터 이 사진들을 뽑아냈으며 좀더 강력한 화상 분석 기술을 활용하여 행성계에 대한 탐사를 계속하고 있다.

 

허블 아카이브 데이터로부터 행성계 원반의 세부를 밝혀내다.

 

 

허블우주망원경과 함께라면 설령 자신의 관측 데이터에서 뭔가를 빠뜨렸다 하더라도 이를 영원히 잃어버리게 될 확률은 없다.

허블 데이터 아카이브에 저장된 정보자산에 감사를!
그리고 충분한 시간이 흘러 과학적 분석을 보다 더 현명한 방법으로 수행할 수 있게 되었음에 감사를!
천문학자들은 언제든 관측자료를 재열람하고 이로부터 처음에는 놓쳤던 새로운 발견을 이루어낼 수 있게 되었다.
 
천문학자들이 MAST로부터 4개의 행성계 원반을 발견한 것이 바로 이에 해당하는 사례이다.
또한 2007년 허블 관측자료에서는 탐지되지 않았던 원반이 이번에 새로 발견되기도 했다.
이 원반들은 모두 새로운 행성이 형성되고 있음을 알려주고 있는 단서이다.

이것은 새로운 이미지 처리 기술과 몇몇 집요한 천문학자들에 의해 과거의 데이터가 재해석됨으로써 얻어진 천문학적 법의학 이야기라 할 수 있다.

 

우주망원경과학 연구소의 레미 수머(Remi Soummer)가 이끄는 연구팀이 허블의 숨겨진 보석에서 인디애나 존스와 같은 발견을 이끌어냈다.

이 별들은 처음에는 NASA의 적외선 천문위성(Infrared Astronomical Satellite, IRAS)과 스피처 우주망원경에 의해 비정상적인 열 신호가 포착된 후

허블 NICMOS를 이용한 관측의 대상이 되었던 별들이다.

 

이전 관측 데이터들은 이 별들 주위에 먼지 원반이 존재한다는 흥미로운 단서를 제공해주었는데 이 먼지들은 별빛이 작은 먼지입자들에 산란되면서 목격될 수 있었다.  

그러나 허블 우주망원경이 1999년과 2006년 사이 이들을 관측했을 때, NICMOS의 사진들에는 일체 가시광선으로서 이들을 감지해 낼 수 없었다.
최근 얼굴 인식 소프트웨어의 알고리즘을 포함한 새로운 화상 처리 기술을 이용하여 수머와 그의 연구팀은 기존에 축적된 데이터에 대한 재해석을 시도하였다.
그리고 바로 지금 연구팀은 이 먼지 원반들을 명확하게 볼 수 있었으며 이 원반들의 형태까지 결정할 수 있게 된 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, R. Soummer and M. Perrin (STScI), L. Pueyo (STScI/Johns Hopkins University), C. Chen and D. Golimowski (STScI), J.B. Hagan (STScI/Purdue University), T. Mittal (University of California, Berkeley/Johns Hopkins University), E . Choquet, M. Moerchen, and M. N’Diaye (STScI), A. Rajan (Arizona State University), S. Wolff (STScI/Purdue University), J. Debes and D. Hines (STScI), and G. Schneider (Steward Observatory/University of Arizona)

 

사진2> 이 두 개의 사진은 익히 잘 알려진 HD 181327 주위를 둘러싸고 있는 먼지파편 원반의 모습으로서, 천문학자들이 새로운 화상 처리 기술을 이용하여 갓 태어난 별들 주위에서 어떻게 원반을 발견해 내는지를 묘사하고 있다.
천문학자들은 허블 NICMOS가 촬영한 먼지원반의 사진을 처리하는 새로운 기술을 발전시켰다.
왼쪽의 NICMOS 사진은 표준 화상 처리 기술을 사용한 것으로서, 별로부터 흘러나오는 빛이 너무나 과다하여 원반의 전체 모습이 드러나지 않고 있다.

NICMOS의 코로나그래프가 대부분의 별빛을 막고 있긴 하지만 빛의 일부가 여전히 차단마스크의 모서리를 벗어나고 있는 것이다.
오른쪽 사진은 천문학자들이 새로운 화상 기술을 이용하여 이곳에 존재하는 별빛을 제거한 사진이다.
그 결과 먼지 원반 전반이 선명하게 그 모습을 드러내고 있다.
천문학자들은 동일한 기술을 이용하여 NICMOS가 촬영하여 MAST로 축적되어 있는 5개 별들의 사진에서 먼지 원반을 발견할 수 있었다.

수머의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 빛이 산란되고 있는 먼지 원반의 수를 18개에서 23개로 증가시켜주는 결과였습니다.
이미 알려져 있었던 원반의 갯수를 현저하게 증가시킴으로써, 그리고 이들 새로운 원반들이 다양한 형태를 가지고 있다는 것을 알려줌으로써 허물우주망원경은 천문학자들로 하여금 행성계의 형성과 그 진화양상에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 해 주었습니다."

 

이 원반상의 먼지들은 소행성과 같은 작은 행성체 간의 충돌에 의해 생겨난 것으로 추정되고 있다.
먼지 원반은 작은 행성체간의 충돌로부터 비산된 먼지 입자들로 구성되어 있는 것이다.
그리고 아주 미세한 입자들은 별로부터 쏟아져나오는 복사에 의해 지속적으로 바깥쪽으로 밀려나가고 있다.
이러한 사실은 이 먼지들이 반드시 계속적인 충돌을 통해 지속적으로 보충되고 있음을 의미한다.

 

이러한 범퍼카 게임은 45억년 전의 태양계에서도 일반적으로 발생하는 일이었다.

지구의 달과 플루토 주변을 감싸고 있는 위성계들 역시 이러한 충돌의 부산물로 생각되고 있다.

 

연구팀의 일원이자 먼지 원반의 전문가인 크리스틴 첸(Christine Chen)은 특별이 주목을 끌고 있는 별은 HD 141943으로서, 이 별은 우리 태양계에서 암석질 행성이 형성되던 시기의 태양과 정확하게 쌍동이인 별이라고 말했다.

 

허블은 이 별이 우리에게 모서리를 드러내고 있는 비대칭의 원반을 가지고 있음을 발견한 바 있다.
이러한 비대칭은 하나 또는 그 이상의 아직 발견되지 않은 행성의 중력에 의해 먼지 원반이 깍여나간 증거일 가능성이 있다.

 

1997년부터 데이터를 쌓기 시작한 NICMOS 장비는 너무나 첨단 기술이어서 이제서야 능력에 걸맞는 분석이 시작되고 있다.

허블 운영이 시작된지 24년이나 흘렀기 때문에, 허블우주망원경은 고급 축적 데이터에 대한 장구한 베이스라인을 제공하고 있는 셈이다.

 

우주망원경과학 연구소, 딘 하인스(Dean Hines)의 소감은 다음과 같다.
"작금에는 새로운 화상 처리 기술들로 인해 기존 축적 데이터로 돌아가서 이전에 가능했던것보다 훨씬 더 정교한 연구를 선도할 수 있게 되었습니다."

 

수머의 연구팀이 새로운 알고리즘을 기존 데이터에 적용했을 때 이 먼지 원반들은 즉시 그 모습을 드러내기 시작했다.

 

수머의 소감은 다음과 같다.
"제가 기억하기로 우리가 맨처음 이 작업을 시작했을 때, 우리 모두는 '이건 말도 안돼, 뭔가 잘못된 것일꺼야. 어떻게 원반이 이렇게 바로 튀어나올수가 있지?'라고 생각했었답니다. 

이 작업은 너무나 잘 수행되어서 그 결과가 너무나도 신속하게 도출되었기 때문에 처음엔 우리 중 누구도 이를 믿지 못했었죠."

 

우주망원경과학 연구소의 마샬 페린이 덧붙인 설명은 다음과 같다.
"이 원반들을 목격할 수 있었기 때문에 우리는 허블망원경과 지상에 위치한 대규모 망원경들을 이용하여 이들을 보다 더 세부적으로 연구하기 위한 추가 관측 계획을 세울 수 있었죠."

 
우주망원경과학 연구소의 팀동료인 로렌트 퓨요(Laurent Pueyo)는 차후 제임스 웹 우주망원경에 적용될 표준 처리 방법을 수립하기 위해 동일한 기술의 개선 작업을 진행중에 있으며 , 이 원반들은 제임스 웹 우주망원경에게도 이상적인 관측대상이 될 것이라고 말했다.

 

수머의 연구팀은 이제 막 새로운 작업을 시작했다.
이들은 행성의 존재를 암시해주고 있는 이 원반의 구조에 대한 분석을 수행하게 될 것이다.

 

Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)

 

사진3> 이 사진은 MAST로부터 가져온 어린 별 주위를 둘러싼 다섯개의 행성상 원반의 모습을 보여주고 있다.

허블의 NICMOS가 이 사진들을 촬영한 것은 1999년부터 2007년 사이였다.
천문학자들은 코로나그래프를 이용하여 밝은 별빛을 차단함으로써, 별빛을 반사해내고 있는 희미한 먼지입자들을 분석해낼 수 있었다.
최근 적용된 새로운 화상 기술은 천문학자들로하여금 코로나그래프 바깥으로 번지는 과도한 별빛을 제거할 수 있게 해 주었고, 그 결과 먼지 원반들의 모습을 선명하게 드러낼 수 있게 해주었다.

HD 30447과 HD 35841, 그리고 HD 141943 주위의 원반은 거의 모서리를 우리에게 향하고 있으며 나머지 두개는 비스듬하게 기울어져 있다.
먼지 원반 사이에 위치하는  HD 141943은 우리 태양과 같은 성질의 별로서 우리 태양이 지구와 같은 암석질 행성을 행성하던 시절과 같은 나이이다.

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 4월 24일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/16/

 

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

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-16

Astronomical Forensics Uncover Planetary Disks in Hubble Archive

With the Hubble Space Telescope, if astronomers missed seeing something once in their data, they haven't missed it forever. Thanks to the wealth of information stored in the Hubble data archive, and given enough time to come up with more clever ways of scientific analysis, they can revisit existing observations and make new discoveries not caught initially.

Such is the case with four disks of planetary debris uncovered in images of young stars that astronomers retrieved from the Barbara A. Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST). A fifth disk image, which was an unpublished borderline detection by Hubble from 2007, was also recovered. These disks are telltale evidence for newly formed planets.

This is an astronomical forensics story of revisiting earlier data with new image processing techniques — and of some tenacious astronomers. Rémi Soummer, of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Md., led the team on an Indiana Jones hunt for hidden Hubble treasures.

The stars were initially targeted with Hubble's Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) based on unusual heat signatures obtained from NASA space-based telescopes, including IRAS (Infrared Astronomical Satellite) and the Spitzer Space Telescope. The previous data provided interesting clues that dusty disks might exist around these stars. Such disks might be seen in scattered light from small dust particles. But when Hubble first viewed the stars between 1999 and 2006, no visible-light disks were detected in the NICMOS pictures.

Recently, with improvements in image processing — including algorithms used for face-recognition software — Soummer and his team reanalyzed the archived images. This time, they could unequivocally see the debris disks, and they could even determine their shapes.

"These findings increase the number of debris disks seen in scattered light from 18 to 23. By significantly adding to the known population, and by showing the variety of shapes in these new disks, Hubble can help astronomers learn more about how planetary systems form and evolve," said Soummer.

The dust in the disks is hypothesized to be produced by collisions between small planetary bodies such as asteroids. The debris disks are composed of dust particles formed from these grinding collisions. The tiniest particles are constantly blown outward by radiation pressure from the star. This means they must be replenished continuously though more collisions. This game of bumper cars was common in the solar system 4.5 billion years ago. Earth's moon and the satellite system around Pluto are considered to be collisional byproducts.

one star that is particularly interesting is HD 141943," said Christine Chen, debris disk expert and team member. "It is an exact twin of our Sun during the epoch of terrestrial planet formation in our own solar system." Hubble found that the star exhibits an asymmetrical, edge-on disk. This asymmetry could be evidence the disk is being gravitationally sculpted by the tug of one or more unseen planets.

The NICMOS instrument, which began taking data in 1997, was so cutting-edge that ground-based technology is only now beginning to match its power. Because Hubble has been in operation for 24 years, it provides a long baseline of high-quality archival observations. "Now, with such new technologies in image processing, we can go back to the archive and conduct research more precisely than previously possible with NICMOS data," said Dean Hines of STScI.

Once Soummer's team began to apply the new algorithm to the old data, the disks immediately started appearing. "I remember we tried it, and we thought, 'It's not possible. We've done something wrong!' The disks popped out immediately," explained Soummer. "It worked so well, and the results came up so quickly, that at first we didn't believe them."

"Being able to see these disks now also has let us plan further observations to study them in even more detail using other Hubble instruments and large telescopes on the ground," added Marshall Perrin of STScI.

"We are also working to implement the same techniques as a standard processing method for the upcoming James Webb Space Telescope," said STScI teammate Laurent Pueyo. "These disks will also be prime targets for the Webb Telescope."

Soummer's team has just begun its work. They will next search for structures in the disks that suggest the presence of planets.

The Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., conducts Hubble Space Telescope (HST) science operations. HST is a project of international cooperation between NASA and the European Space Agency. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., manages the telescope. STScI is operated by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., in Washington, D.C.

The Mikulski Archive for Space Telescopes, located at STScI, is a NASA-funded project to support and provide to the astronomical community a variety of astronomical data archives, with the primary focus on scientifically related data sets in the optical, ultraviolet, and near-infrared parts of the spectrum.

CONTACT

Ann Jenkins / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4488 / 410-338-4514
jenkins@stsci.edu / villard@stsci.edu

Rémi Soummer
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4737
soummer@stsci.edu