지금까지 관측된 백색왜성 중 가장 차갑고 가장 희미한 백색왜성

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

그림 1> 펄서 PSR J2222-0137과 함께 서로 공전을 하고 있는 백색왜성의 상상화.
이 백색왜성은 지금까지 식별된 백색왜성 중 가장 차갑고 가장 희미한 백색왜성일 것이다.

 

지금까지 관측된 백색왜성 중 가장 차갑고 가장 희미한 백색왜성

 

천문학 연구팀이 지금까지 관측된 백색왜성 중 가장 차갑고 가장 희미한 백색왜성일 가능성이 있는 별을 식별해냈다.
이 고대의 별 화석은 너무나 차가와서 결정화된 탄소가 존재할 가능성이 있으며 그 결과 지구 크기의 다이아몬드 덩어리일 가능성이 있다.

 

위스콘신-밀워키 대학교의 교수인 데이비드 카플란(David Kaplan)의 설명은 다음과 같다.
"이건 정말 너무 놀라운 천체입니다.
 이와 같은 천체들은 충분히 존재할 수 있는 천체입니다만 너무나 희미해서 찾기는 아주 어려운 천체들이죠."

 

카플란과 그의 동료들은 이 보석별을 국립전파천문대(the National Radio Astronomy Observatory’s, 이하 NRAO)와 그린뱅크 망원경(Green Bank Telescope, 이하 GBT), 그리고 초장기선 전파 망원경(Very Long Baseline Array, 이하 VLBA) 및 여러 다른 관측 망원경을 이용하여 찾아냈다.

 

백색왜성은 우리 태양과 같은 별이 붕괴되면서 거의 지구와 같은 크기로 줄어든, 별의 수명주기에서 가장 마지막 단계에 다다른 극단적인 밀도의 천체이다.
주로 탄소와 산소로 이루어져 있는 백색왜성은 수십억년의 시간동안 천천히 식어가면서 희미해져간다.

 

이번에 새로 발견된 백색왜성의 나이는 거의 우리 은하수의 나이와 맞먹는 나이인 대략 110억년 정도된 별이다.

 

펄서는 대단히 빠른 속도로 회전하는 중성자별이며 무거운 질량을 가진 별이 초신성으로 폭발하면서 남겨진 초고밀도 잔해이다.

중성자 별이 회전할 때, 라디오파는 등대처럼 빛을 깜빡깜빡 뿜어내며 강력한 자기장의 극점에서부터 발생한 파동은 우주공간을 휩쓸게 된다.

 

이렇게 형성된 파동이 지구를 휩쓸고 지나가면 전파망원경이 이 라디오파의 파동을 잡아내게 되는 것이다.

 

PSR J2222-0137이라고 명명된 백색왜성의 동반 펄서가 이번에 처음으로 감지되었다.
이 천체는 웨스트 버지니아 대학의 대학원생 제이슨 보일스(Jason Boyles)에 의해 GBT를 이용한 관측에서 발견되었다.

 

이번 관측을 통해 이 펄서는 초당 30번 이상 회전하고 있으며 자신의 동반성에 중력적으로 엮여져 있음이 발견되었는데, 동반성은 또다른 중성자 별일 수도 있고, 좀더 높은 가능성으로 희귀하게 식어버린 백색왜성일 가능성이 있는 것으로 밝혀졌다.

이 이중성계는 서로에 대해 매 2.45일을 주기로 공전하는 것으로 계산되었다.

 

또한 이 펄서는 네덜란드 전파 천문 연구소(the Netherlands Institute for Radio Astronomy, ASTRON)의 천문학자 아담 델러(Adam Deller)가 VLBA를 통해 2년여의 기간동안 관측되어왔다.

 

이번 관측을 통해 그 위치와 지구로부터의 거리를 측정할 수 있었는데, 이 별은 물병자리방향으로 지구로부터 900광년 거리에 위치하고 있었다.

 

이러한 정보는 지구의 GBT를 활용한 펄서의 도착 시간을 사용하여 정제된 결정적인 정보이다.

 

아인슈타인의 상대성 이론을 활용하여 과학자들은 펄서가 백색왜성의 뒷쪽을 통과할 때, 라디오파의 지연현상을 발생시키는, 동반성의 중력에 의한 공간의 왜곡이 얼마나 되는지를 연구하였다.
이러한 지연 시간은 과학자들이 공전방향과 각각의 별의 질량을 계산할 수 있도록 하는데 도움을 주었다.

 

펄서의 경우는 태양질량의 1.2배 였으며 동반성의 질량은 태양질량의 1.05배였다.

 

이러한 데이터는 펄서의 동반성이 또다른 중성자 별일 가능성이 없음을 강력하게 시사하고 있다.
이 공전궤도는 잠깐동안에 초신성 폭발이 발생하기에는 너무나 규칙적이었다.

 

이처럼 높은 정밀도로 계산된 거리와 백색왜성의 밝기 정도로 볼 때, 이 정도 거리라면 백색왜성은 반드시 그 모습을 드러내게 된다.
천문학자들은 이를 가시광선과 적외선 파장을 충분히 관측할 수 있을 것으로 생각했다.

 

그러나 이상하게도 칠레의 남반구 천체물리 관측 망원경(the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope)과 하와이의 10미터 켁 망원경 모두 이를 감지해낼 수 없었다.

 

연구팀의 일원인 노스 캐롤라이나 대학의 대학원생 바트 던랩(Bart Dunlap)의 설명은 다음과 같다.
"우리의 최종 이미지는 이 동반성이 다른 중성자 별 주위를 공전하는 백색왜성들보다 100배나 더 희미하고,  지금까지 알려진 백색왜성들보다 대략 10배 더 희미하다는 것을 보여주었습니다. 우리는 아무것도 볼 수 없었죠.
만약 거기 백색왜성이 있다면, 그리고 그 존재가 거의 확실하다면, 이것은 극단적으로 낮은 온도를 가지고 있을 겁니다."
 

과학자들은 이 백색왜성이 상대적으로 차가운 온도인 섭씨 2700도를 넘지 않을 것으로 계산했다.
우리 태양의 경우 중심 온도는 이보다 5천배나 더 뜨겁다.

 

천문학자들은 이처럼 차가운, 붕괴된 별이 다이아몬드와 그닥 다르지 않은 거대한 탄소 결정체일 것으로 생각하고 있다.
이와 같은 별들은 이론상으로는 그닥 희귀한 별은 아니지만, 낮은 절대 밝기를 가지고 있다면 탐지되기는 정말 어렵다.

 

이 경우 중성자 별과 이중성계를 구성하고 있는 우연한 위치로 인해서 이를 식별해 낼 수 있었던 것이다.
이번 연구성과를 담은 논문은 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 6월 23일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/cold-white-dwarf

참고> 백색왜성을 비롯한 별에 대한 각종 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

For Release: June 23, 2014

Remarkable White Dwarf Star Possibly Coldest, Dimmest Ever Detected

A team of astronomers has identified possibly the coldest, faintest white dwarf star ever detected. This ancient stellar remnant is so cool that its carbon has crystallized, forming -- in effect -- an Earth-size diamond in space.

“It’s a really remarkable object,” said David Kaplan, a professor at the University of Wisconsin-Milwaukee. “These things should be out there, but because they are so dim they are very hard to find.”

Kaplan and his colleagues found this stellar gem using the National Radio Astronomy Observatory’s (NRAO) Green Bank Telescope (GBT) and Very Long Baseline Array (VLBA), as well as other observatories.

White dwarfs are the extremely dense end-states of stars like our Sun that have collapsed to form an object approximately the size of the Earth. Composed mostly of carbon and oxygen, white dwarfs slowly cool and fade over billions of years. The object in this new study is likely the same age as the Milky Way, approximately 11 billion years old.

Pulsars are rapidly spinning neutron stars, the superdense remains of massive stars that have exploded as supernovas. As neutron stars spin, lighthouse-like beams of radio waves, streaming from the poles of its powerful magnetic field, sweep through space. When one of these beams sweeps across the Earth, radio telescopes can capture the pulse of radio waves.

The pulsar companion to this white dwarf, dubbed PSR J2222-0137, was the first object in this system to be detected. It was found using the GBT by Jason Boyles, then a graduate student at West Virginia University in Morgantown.

These first observations revealed that the pulsar was spinning more than 30 times each second and was gravitationally bound to a companion star, which was initially identified as either another neutron star or, more likely, an uncommonly cool white dwarf. The two were calculated to orbit each other once every 2.45 days.

The pulsar was then observed over a two-year period with the VLBA by Adam Deller, an astronomer at the Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON). These observations pinpointed its location and distance from the Earth -- approximately 900 light-years away in the direction of the constellation Aquarius. This information was critical in refining the model used to time the arrival of the pulses at the Earth with the GBT.

By applying Einstein's theory of relativity, the researchers studied how the gravity of the companion warped space, causing delays in the radio signal as the pulsar passed behind it. These delayed travel times helped the researchers determine the orientation of their orbit and the individual masses of the two stars. The pulsar has a mass 1.2 times that of the Sun and the companion a mass 1.05 times that of the Sun.

These data strongly indicated that the pulsar companion could not have been a second neutron star; the orbits were too orderly for a second supernova to have taken place.

Knowing its location with such high precision and how bright a white dwarf should appear at that distance, the astronomers believed they should have been able to observe it in optical and infrared light.

Remarkably, neither the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope in Chile nor the 10-meter Keck telescope in Hawaii was able to detect it.

“Our final image should show us a companion 100 times fainter than any other white dwarf orbiting a neutron star and about 10 times fainter than any known white dwarf, but we don’t see a thing,” said Bart Dunlap, a graduate student at the University of North Carolina at Chapel Hill and one of the team members. “If there’s a white dwarf there, and there almost certainly is, it must be extremely cold.”

The researchers calculated that the white dwarf would be no more than a comparatively cool 3,000 degrees Kelvin (2,700 degrees Celsius). Our Sun at its center is about 5,000 times hotter.

Astronomers believe that such a cool, collapsed star would be largely crystallized carbon, not unlike a diamond. Other such stars have been identified and they are theoretically not that rare, but with a low intrinsic brightness, they can be deucedly difficult to detect. Its fortuitous location in a binary system with a neutron star enabled the team to identify this one.

A paper describing these results is published in the Astrophysical Journal.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

Contacts:

Charles Blue, Public Information Officer
National Radio Astronomy Observatory
+1 434-296-0314; cblue@nrao.edu

Dr. Katy Garmany, Deputy Press Officer
National Optical Astronomy Observatory
+1 520-318-8526; kgarmany@noao.edu

David Kaplan
Asst. Professor
Dept. of Physics, UW-Milwaukee
+1-414-229-4971; kaplan@uwm.edu