이중성계에서 특이한 양상의 원시행성원반을 발견하다.

 

Credit: R. Hurt (NASA/JPL-Caltech/IPAC)

 

그림1> 이 상상화는 HK 타우리(HK Tauri)라는 이중성계의 어린 별들과 그 별을 둘러싼 원시행성원반의 정렬 불일치 양상을 인상깊게 표현하고 있다. 
이 이중성계에 대한 ALMA의 관측 자료는 이중성계에 존재하는 원시행성원반에 대한 가장 확실한 데이터가 되고 있다.
이번 연구 결과는 왜 그토록 많은 외계행성들이 태양계의 행성들과는 달리 편심되거나 기울어진 공전궤도를 가지고 있는지에 대한 설명 중 한 가지 가능성을 보여주고 있는 것이다.

 

 

이중성계에서 특이한 양상의 원시행성원반을 발견하다.

 

천문학자들이 ALMA(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용하여,  HK 타우리 연성계의 어린 두 개 별 주위를 감싸고 있는 광활하고 서로 배치가 어긋나있는 가스 원반을 발견해냈다.

ALMA가 제공한 이번 새로운 관측은 이중성계의 원시행성 원반계의 사진으로는 지금까지 촬영된 것 중 가장 선명한 데이터에 해당한다.
이번 결과는 왜 그토록 많은 외계행성들이 태양계와는 달리 이상한 양상을 보이고, 기울어져 있는 공전궤도를 가지고 있는지를 설명하는데 도움을 줄 것이다.
이번 관측 결과는 2014년 7월 31일 네이처 지에 개재되었다.

 

혼자 존재하는 우리 태양과 달리 대부분의 별은 이중성계의 한 부분으로서 존재한다.
이중성계는 대단히 일반적인 현상이지만 이처럼 복잡한 환경에서는 행성들이 어떻게, 어디에서 만들어지는지를 포함한 많은 궁금증을 자아낸다.

 

미국 스와스모어 컬리지의 천문학자 에릭 젠슨(Eric Jensen)의 소감은 다음과 같다.
"ALMA는 이중성계에서 이른바 원시행성원반이라 불리는 현상에 대한 최상의 모습을 제공해 주었습니다.
 그리고 우리는 여기서 서로 배열이 어긋나있는 원반을 발견했죠."

 

HK 타우리 연성계상의 이 두 별은 황소자리 방향으로 지구로부터 450광년 거리에 위치하고 있으며, 나이는 5백만광년이 채 되지 않고 서로 580억 킬로미터 떨어져 있다. 이 거리는 태양과 해왕성 거리의 13배에 달하는 거리이다.

 

HK 타우리 B 별은 보다 희미한 별로서 주변을 둘러싼 원시행성원반은 우리에게 모서리를 향하고 있어 별빛을 막아서고 있다.
별로부터 쏟아져나오는 섬광이 막혀있기 때문에 천문학자들은 이 원반에 대해 가시광선과 근적외선 파장에서 질좋은 관측 자료를 쉽게 얻을 수 있다.
그 동반성인 HK 타우리 A의 경우 역시 원반을 가지고 있긴 하지만 이 별의 원반은 별빛을 막고 있지 않다.
그 결과 별로부터 쏟아져나오는 압도적인 별빛 때문에 이 원반을 가시광선으로 보기는 불가능하다.
그러나 이 원반 역시 밀리미터 파장에서 밝게 빛을 내는데 이 파장을 ALMA는 쉽게 잡아낼 수 있다.
연구팀은 ALMA를 이용하여 HK 타우리 A를 둘러싼 원반을 볼 수 있었을 뿐 아니라 사상 처음으로 그 회전속도도 측정해낼 수 있었다.

 

이처럼 보다 선명한 화상은 천문학자들로 하여금 이 두 개 별의 먼지 원반이 서로에 대해 최소 60도 이상 어긋나 있음을 알게 해 주었다.
두 개 별의 공전궤도는 동일한 평면상에서 진행되기 때문에 이 원반 중 최소 하나는 반드시 현저하게 어긋난 양상을 띠고 있는 것이다.

 

미국 캘리포니아 기술 연구소, NASA 외계행성 과학 연구소의 레이첼 아키슨(Rachel Akeson)의 소감은 다음과 같다.
"이번에 관측된 명백하게 어긋난 정렬 양상은 갓 탄생한 이중성계에 대한 인상적인 모습을 우리에게 보여준 샘입니다.
비록 이와 같이 정렬이 어긋난 연성계가 존재한다는 것은 이전에도 관측된 바 있긴 하지만, HK 타우리에 대한 ALMA의 관측 데이터는 이와 같은 연성계에 실제 모습이 어떠한지에 대해 훨씬 선명한 양상을 우리에게 제공해주었죠."

 

별과 행성들은 광활하게 펼쳐져 있는 먼지와 가스구름으로부터 만들어진다.
이 구름속에 존재하는 물질들이 중력에 의해 서로 뭉쳐질 때, 이들은 회전을 시작하게 되고 대부분의 먼지와 가스들은 점점 몸집을 키워가는 원시별 주위를 휘감고 도는 평평한 원시행성 원반에 추락하게 된다.

 

그런데 HK 타우리와 같은 이중성계는 이 사건이 훨씬 복잡하게 일어난다.
별이나 원시행성원반의 궤도가 대략 동일한 평면 궤도상으로 형성되지 않는다면 이 원시행성원반에서 생성될 행성들은 매우 높은 편심을 보이거나 기울어진 궤도를 갖게 되고 말 것이다.[1]

 

젠슨이 강조하는 것은 다음과 같다.
"우리 연구 결과는 행성의 공전궤도가 변경되는데 존재하는 필요조건과 이 필요조건이 행성이 형성되는 시점에 존재해야 한다는 것을 보여주고 있습니다. 
이는 연성계의 형성 과정에서 명백하게 발생하는 사항이죠.
우리는 이러한 현상이 발생하는 원인에 한 또 다른 이론들을 배제할 수는 없습니다만, 두 번째 별이 이러한 작용을 한다는 점은 확실하게 말할 수 있습니다."
 
가시광선으로는 볼 수 없었을 원시행성 원반의 먼지와 가스들을 ALMA는 볼 수 있기 때문에, ALMA의 관측자료들은 이전에는 결코 볼 수 없었던 어린 이중성계의 모습을 보여주는 것이라 할 수 있다.

 

아키슨의 설명은 다음과 같다.
"우리는 여전히 원시행성원반이 형성되는 초기단계를 보고 있기 때문에 역시 그 모습이 어떻게 되어갈지에 대해 더 나은 자료를 볼 수 있을 것입니다."

연구원들은 이러한 유형의 이중성계가 일반적인 것인지 아니면 특이한 것인지를 알고 싶어한다.
이번에 발견된 경우는 특이한 개별 케이스에 지나지 않지만 추가 관측을 통해 이러한 종류의 배치가 우리 은하에서 일반적인지 여부를 결정할 필요가 있다고 생각하고 있는 것이다.

 

젠슨의 결론은 다음과 같다.
"비록 이곳의 메카니즘을 이해하는 것은 커다란 진보가 되겠지만, 이것이 모든 외계행성의 특이한 공전궤도를 설명할 수는 없습니다.
모든 질문의 답이 되기에 이 이중성계는 충분치 않죠.
따라서 이것은 여전히 남아 있는 흥미로운 수수께끼라 할 수 있습니다."

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 도표는 황소자리를 보여주고 있다.

표에 기록된 모든 별은 청명하고 어두운 밤하늘에서라면 모두 볼 수 있는 별들이다.
그 유명한 성단인 히아데스나 플레이아데스뿐 아니라, 이 지역 역시 어두운 먼지구름을 포함하고 있는 별 생성 지역이다.

이곳에서 새로 탄생한 별들 중 하나가 HK 타우리로서 붉은 색 원으로 표시되어 있다.

ALMA의 관측 자료는 이중성계의 원시행성원반에 대해 가장 선명한 데이터를 제공해주고 있다.
이 이중성계는 매우 희미한 붉은 빛을 띠고 있으며 육안으로는 일체 관측되지 않으며 대규모 망원경으로서만 관측이 가능하다.

 

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

 

사진1> 이 광대역 사진은 별의 생성이 지속되고 있는 황소자리의 일부로서 광활한 먼지와 별이 생성되고 있는 작은 덩어리들을 보여주고 있다.
사진 중앙에 희미하게 보이는 별이 HK 타우리라는 갓 태어난 이중성계이다.
이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 것이다.

 

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); K. Stapelfeldt et al. (NASA/ESA Hubble)

 

사진 2>  이 사진은 HK 타우리를 촬영한 것으로 허블 우주망원경이 촬영한 가시광선 및 적외선 데이터에 ALMA의 새로운 관측 데이터를 합성한 것이다.

 

Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

사진 3> 이 사진은 ALMA가 촬영한 각 원반의 공전 속도를 보여주는 데이터로서 천문학자들로 하여금 HK 타우리의 원반이 서로 어긋나서 돌고 있다는 것을 결정할 수 있게 해주었다.
붉은 색으로 표현된 곳은 지구로부터 멀어지는 방향으로 움직이는 곳이며 파란색으로 표시된 곳은 지구쪽으로 다가오는 방향을 보여주고 있다.

각주

[1] 만약 두 개 별과 각 별이 가진 원반이 전혀 동일 평면상에 존재하지 않는다면 한쪽 별의 중력이 다른 별의 원반을 뒤흔들어놓게 될 것이고 그 결과 원반이 비틀리거나 세차운동을 만들어내게 될 것이며, 그 반대도 마찬가지이다. 
또한 이 원반에서 행성이 형성된다면 이 행성 역시 다른 별에 의해 흔들리게 될 것이고 그 결과 공전궤도가 기울어지거나 변형되게 될 것이다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 7월 30일자 
        http://www.eso.org/public/news/eso1423/

 

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

 

원문>

ALMA Finds Double Star with Weird and Wild Planet-forming Discs

30 July 2014

Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have found wildly misaligned planet-forming gas discs around the two young stars in the binary system HK Tauri. These new ALMA observations provide the clearest picture ever of protoplanetary discs in a double star. The new result also helps to explain why so many exoplanets — unlike the planets in the Solar System — came to have strange, eccentric or inclined orbits. The results will appear in the journal Nature on 31 July 2014.

Unlike our solitary Sun, most stars form in binary pairs — two stars that are in orbit around each other. Binary stars are very common, but they pose a number of questions, including how and where planets form in such complex environments.

“ALMA has now given us the best view yet of a binary star system sporting protoplanetary discs  — and we find that the discs are mutually misaligned!” said Eric Jensen, an astronomer at Swarthmore College in Pennsylvania, USA.

The two stars in the HK Tauri system, which is located about 450 light-years from Earth in the constellation of Taurus (The Bull), are less than five million years old and separated by about 58 billion kilometres — this is 13 times the distance of Neptune from the Sun.

The fainter star, HK Tauri B, is surrounded by an edge-on protoplanetary disc that blocks the starlight. Because the glare of the star is suppressed, astronomers can easily get a good view of the disc by observing in visible light, or at near-infrared wavelengths.

The companion star, HK Tauri A, also has a disc, but in this case it does not block out the starlight. As a result the disc cannot be seen in visible light because its faint glow is swamped by the dazzling brightness of the star. But it does shine brightly in millimetre-wavelength light, which ALMA can readily detect.

Using ALMA, the team were not only able to see the disc around HK Tauri A, but they could also measure its rotation for the first time. This clearer picture enabled the astronomers to calculate that the two discs are out of alignment with each other by at least 60 degrees. So rather than being in the same plane as the orbits of the two stars at least one of the discs must be significantly misaligned.

“This clear misalignment has given us a remarkable look at a young binary star system,” said Rachel Akeson of the NASA Exoplanet Science Institute at the California Institute of Technology in the USA. “Although there have been earlier observations indicating that this type of misaligned system existed, the new ALMA observations of HK Tauri show much more clearly what is really going on in one of these systems.”

Stars and planets form out of vast clouds of dust and gas. As material in these clouds contracts under gravity, it begins to rotate until most of the dust and gas falls into a flattened protoplanetary disc swirling around a growing central protostar.

But in a binary system like HK Tauri things are much more complex. When the orbits of the stars and the protoplanetary discs are not roughly in the same plane any planets that may be forming can end up in highly eccentric and tilted orbits [1].

“Our results show that the necessary conditions exist to modify planetary orbits and that these conditions are present at the time of planet formation, apparently due to the formation process of a binary star system,” noted Jensen. “We can’t rule other theories out, but we can certainly rule in that a second star will do the job.”

Since ALMA can see the otherwise invisible dust and gas of protoplanetary discs, it allowed for never-before-seen views of this young binary system. “Because we’re seeing this in the early stages of formation with the protoplanetary discs still in place, we can see better how things are oriented,” explained Akeson.

Looking forward, the researchers want to determine if this type of system is typical or not. They note that this is a remarkable individual case, but additional surveys are needed to determine if this sort of arrangement is common throughout our home galaxy, the Milky Way.

Jensen concludes: “Although understanding this mechanism is a big step forward, it can’t explain all of the weird orbits of extrasolar planets — there just aren’t enough binary companions for this to be the whole answer. So that’s an interesting puzzle still to solve, too!”

Notes

[1] If the two stars and their discs are not all in the same plane, the gravitational pull of one star will perturb the other disc, making it wobble or precess, and vice versa. A planet forming in one of these discs will also be perturbed by the other star, which will tilt and deform its orbit.

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 “Misaligned Protoplanetary Disks in a Young Binary Star System”, by Eric Jensen and Rachel Akeson, to appear in the 31 July 2014 issue of the journal Nature.

The team is composed of Eric L. N. Jensen (Dept. of Physics & Astronomy, Swarthmore College, USA) and Rachel Akeson (NASA Exoplanet Science Institute, IPAC/Caltech, Pasadena, 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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