화가자리 베타별(Beta Pictoris) 주변에서 발견된 두 개의 외계혜성족

 

Credit: ESO/L. Calcada

 

그림 1> 이 상상화는 화가자리 베타별 주위를 공전하고 있는 외계혜성들의 모습을 그린 것이다.
천문학자들이 ESO 라실라 천문대의 HARPS를 이용하여 지근거리에 위치하는 어린 별 주위에서 500여개에 달하는 혜성들을 관측하였으며, 두 개의 외계혜성족을 발견해냈다.
이중 첫번째 혜성족은 오래된 혜성족으로 자신의 별을 지근거리로 여러 번 통과했다.
여기에 상상화로 표현된 두번째 혜성족은 동일 공전궤도를 갖는 어린 외계혜성들로 구성되어 있으며 최근 하나 이상의 더 큰 규모의 천체가 파괴되면서 만들어진 것으로 추측된다.

 

지근거리의 별 주변에서 발견된 두 개의 혜성 가족 : 화가자리 베타별 주변의 외계 혜성에 대한 대규모 조사.

 

ESO 라실라 천문대의 HARPS를 이용하여 다른 별 주위를 돌고 있는 혜성에 대한 가장 완벽한 조사가 이루어졌다.

프랑스 천문학팀이 화가자리 베타 별 주위를 돌고 있는 500여개의 혜성에 대한 조사를 진행한 결과 명백히 서로 다른 족에 속하는 두 개의 외계혜성족을 발견한 것이다.
이중에서 오래된 외계혜성들은 별 주위를 여러번 통과했으며 이보다는 어린 외계혜성은 최근 보다 큰 규모의 한 개 이상의 천체가 파괴되면서 만들어진 듯 하다.
이번 연구 결과는 2014년 10월 23일 네이처 지에 개재되었다.

 

화가자리 베타별(베타 픽토리스, Beta Pictoris)은 어린별로서 태양으로부터 63광년 거리에 위치하고 있다.
이 별의 연령은 대략 2천만년이며 거대한 원반을 두르고 있다. - 이 원반은 매우 왕성한 활동을 보이는 어린 행성계 원반이며 혜성의 증발과 소행성들의 충돌에 의해 만들어진 가스와 먼지들로 이루어져 있다.

 

이번 논문의 주저자인 플라비엥 키퍼(Flavien Kiefer)(IAP/CNRS/UPMC)의 설명은 다음과 같다.
"화가자리 베타별은 정말 흥미로운 관측 대상입니다.
외계혜성들에 대한 세밀한 관측은 이와 같이 갓 만들어진 행성계에서 무슨 일이 벌어지고 있는지를 우리가 이해할 수 있는 단서를 제공해준답니다."

 

30년동안 천문학자들은 화가자리 베타별의 미묘한 빛의 변화를 목격해왔으며 이는 별 전면을 혜성이 통과하면서 발생하는 현상일 것으로 추측해왔다.
혜성들은 수 킬로미터 정도의 작은 크기를 가지고 있지만 풍부한 얼음을 가지고 있으며, 자신의 별에 다가갈수록 이 얼음이 증발되면서 거대한 가스와 먼지의 꼬리를 만들게 되고 이 꼬리는 자신을 통과하는 별빛을 흡수하게 된다.
그러나 외계혜성으로부터 발생하는 희미한 빛은 별의 강력한 빛에 잠겨들기 때문에 지구에서 그 모습을 직접적으로 볼 수는 없다.

 

화가자리 베타별의 외계혜성을 연구하기 위해 연구팀은 칠레 라실라 천문대 ESO 3.6미터 망원경의 HARPS를 이용하여 2003년부터 2011년까지 획득한 1천 개 이상의 데이터를 분석하였다.
그리고 이중에서 493개의 외계혜성 샘플을 골라냈다.
몇몇 외계혜성들은 고작 며칠 사이에 여러번 관측되기도 했다.

 

이들에 대한 주의깊은 분석을 통해 가스 구름의 크기와 속도 측정 데이터가 제공되었다.
그리고 각각의 외계혜성에서는 그 모양과 공전 방향, 별까지의 거리와 같은 몇 개의 공전 속성들을 추론가능할 수 있었다.

 

하나의 외계행성계에서 이처럼 수백개의 외계혜성이 분석되기는 이번이 처음이다.

 

분석 결과 두 개의 명백하게 서로 다른 외계혜성족이 분리되었는데, 하나는 오래된 혜성족으로서 이는 무거운 질량을 가진 행성[1]에 의해 조종되는 공전궤도를 가지고 있었고 다른 하나는 하나 이상의 커다란 천체가 파괴되면서 최근 만들어졌을 것으로 추측되었다.

 

우리 태양계에도 서로 다른 혜성족들이 존재한다.
첫번째 외계혜성족은 다양한 공전궤도를 가지고 있었고, 가스와 먼지의 생성 비율이 낮았으며 미약한 활동성을 보여주고 있었다.
이러한 사실은 이 혜성들이 여러차례 화가자리 베타별을 주위를 통과하면서 얼음이 거의 고갈되었음을 의미한다[2].

 

두번째 외계혜성족에 속하는 혜성들은 훨씬 활동력이 강했으며 그 공전 궤도 역시 거의 식별이 가능한 상황이다[3].
이러한 사실은 이 외계혜성 족이 동일한 기원을 가지고 있음을 말해주고 있으며, 아마도 좀더 규모가 큰 천체가 파괴되면서 그 파편들이 화가자리 베타별을 스쳐지나가는 공전궤도를 유지하고 있음을 말해준다.

 

플라비엥 키퍼의 소감은 다음과 같다.
"통계적 접근을 통해 사상 처음으로 상당한 수의 외계혜성들의 역학과 공전궤도를 결정할 수 있었습니다.
이번 작업은  45억년 전 태양계가 형성된 이후 작용된 메카니즘에 대해 괄목할만한 안목을 제공해주고 있습니다."

 

Credit: ESO/A.-M. Lagrange et al.

 

사진 1> 적외선으로 바라본 화가자리 베타별(Beta Pictoris)

이 합성사진은 근적외선으로 바라본 화가자리 베타별의 지근거리 주변을 보여주고 있다.
강력한 빛을 뿜어내는 별의 헤일로를 주의깊게 차단함으로써 매우 희미한 주변 환경들이 그 모습을 드러냈다.
외곽으로 보이는 먼지 원반의 반사광은 1996년 ESO 3.6미터 망원경에 장착된 ADONIS에 의해 관측된 것이다.
안쪽 부분은 이 행성계의 가장 안쪽 부분으로서 VLT에 장착된 NACO를 활용하였을 때 3.6미크론 크기로 나타났다.

새로 발견되었던 행성은 화가자리 베타별에 비해 1000배 이상 희미했으며 원반상에 정렬해 있었고, 예상 거리는 지구 태양 거리의 8배 정도였다.

이러한 거리는 하늘에서 0.44 각초에 해당하며 10킬로미터 거리에서 바라본 1유로 동전의 각거리에 해당한다.
이 헁성은 아직 생성된지 얼마 안되었기 때문에 섭시 1200도의 뜨거운 온도를 가지고 있다.
사진의 두 개 부분 모두 ESO 망원경에 장착된 적응광학을 이용하여 획득되었다.

 

Credit: ESO/A.-M. Lagrange

 

사진 2> 움직임이 포착된 외계행성
사상처음으로 외계행성이 자신의 별 반대 방향으로 움직이는 모습을 직접 추적할 수 있었다.
이 행성은 직접적으로 관측된 외계행성으로서는 가장 작은 공전궤도를 유지하고 있었는데, 이 행성과 자신의 별과의 거리는 태양과 토성까지의 거리와 거의 흡사했다.
천문학자들로 구성된 연구팀은 ESO VLT의 8.2미터 단위 망원경에 탑재된 NAOS-CONICA를 이용하여 2003년과 2008년, 그리고 2009년에 화가자리 베타별 바로 옆 주변을 연구했다.

2003년에 원반 내에서 희미한 천체가 발견되었지만 이 빛이 배경의 멀리 떨어진 별일 가능성을 배제할 수는 없었다.

그런데 2008년과 2009년 봄에 촬영된 사진에서는 이 천체가 사라져버렸다!

가장 최근의 관측이었던 2009년 가을에 실행된 관측에서는 이 물체가 반대편에 나타나 있었으며 이 천체는 그 동안 별의 전면 또는 후면을 지나 이동했던 것이다.

이로서 이 천체는 자신의 별 주위를 도는 외계행성이라고 확정되었다.

또한 이 사실은 이 별 주위를 도는 행성의 공전궤도 크기에 대한 통찰도 제공해주었다.

이 사진은 먼지 원반 외곽부에서 반사되는 빛을 보여주고 있으며 이 사진은 ESO 3.6미터 망원경에 탐재된 ADONIS에 의해 1996년 관측되었다.

사진 중심부는 2003년과 2009년 가을 NACO에 의해 획득된 행성 관측 장면을 보여주고 있다.

비록 그 경사각이 과장되어 있긴 하지만, 이 행성의 가능성 있는 공전궤도가 표현되어 있다.  
 
 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진 3> 화가자리 베타별 주변

화가자리 베타별은 화가자리 방향으로 약 60광년 거리에 위치하고 있으며 먼지 파편 원반에 의해 둘러싸인 별로서는 가장 잘 알려진 별 중 하나이다. 

처음 관측에서는 구부러져 있는 먼지 원반의 양상이 관측되었으며, 두 번째에서는 기울어진 원반과 별로 추락하고 있는 혜성들이 관측되었다.
이 모든 것은 직접적이진 않지만 이곳에 무거운 질량을 가진 행성이 존재할 것이라는 점을 강력하게 시사하고 있었다.

2003년과 2008년, 그리고 2009년에 ESO 초거대망원경에 탐재된 NACO를 이용한 관측에서는 화가자리 베타별 주변에서 행성의 존재를 입증해냈다. 

자신의 별로부터 행성까지의 거리는 태양과 지구 거리(AU)의 8배에서 15배 사이이며 이는 대략 태양과 토성까지의 거리에 해당한다.

이 행성의 질량은 목성 9개와 맞먹는 질량이며 바로 이 질량과 행성의 위치는 왜 원반의 안쪽 부분이 구부러져 있는지를 설명해 줄 수 있었다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 획득한 데이터를 기반으로 제작된 것으로 화가자리 베타별 주변 약 1.7도 X 2.3도의 영역을 담고 있다.

 

 

각주

 

[1] 베타 픽토리스 b 라는 거대 가스행성이 화가자리 베타별로부터 10억킬로미터 떨어진 채로 공전하고 있음이 밝혀지기도 했으며 이는 적응광확기술을 채용한 고해상도 사진을 이용하여 연구된 바 있다.

 

[2] 게다가 이 혜성들은 무거운 행성의 공전궤도 공명 안에 잡혀 있어 예측대로 정확한 공전궤도를 유지하고 있었다. 
이 혜성들의 속성은 공전궤도 공명 내에 존재하는 행성이 자신의 별 화가자리 베타별로부터 7억 킬로미터 거리에 존재할 것이라는 것을 알려주고 있었고 이는 베타 픽토리스 b 행성보다도 자신의 별에 훨씬 가까운 거리에 해당한다.

 

[3] 이러한 사실은 이들이 우리 태양계의 크로이츠 혜성족과 유사하거나 1994년 7월 목성과 충돌한 슈메이커-레비 9 혜성의 파편들과 유사하다는 점을 말해주고 있다.

 
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 10월 22일자
          http://www.eso.org/public/news/eso1432/

 

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>

eso1432 — Science Release

Two Families of Comets Found Around Nearby Star

Biggest census ever of exocomets around Beta Pictoris

22 October 2014

 

 

The HARPS instrument at ESO’s La Silla Observatory in Chile has been used to make the most complete census of comets around another star ever created. A French team of astronomers has studied nearly 500 individual comets orbiting the star Beta Pictoris and has discovered that they belong to two distinct families of exocomets: old exocomets that have made multiple passages near the star, and younger exocomets that probably came from the recent breakup of one or more larger objects. The new results will appear in the journal Nature on 23 October 2014.

Beta Pictoris is a young star located about 63 light-years from the Sun. It is only about 20 million years old and is surrounded by a huge disc of material — a very active young planetary system where gas and dust are produced by the evaporation of comets and the collisions of asteroids.

Flavien Kiefer (IAP/CNRS/UPMC), lead author of the new study sets the scene: “Beta Pictoris is a very exciting target! The detailed observations of its exocomets give us clues to help understand what processes occur in this kind of young planetary system.”

For almost 30 years astronomers have seen subtle changes in the light from Beta Pictoris that were thought to be caused by the passage of comets in front of the star itself. Comets are small bodies of a few kilometres in size, but they are rich in ices, which evaporate when they approach their star, producing gigantic tails of gas and dust that can absorb some of the light passing through them. The dim light from the exocomets is swamped by the light of the brilliant star so they cannot be imaged directly from Earth.

To study the Beta Pictoris exocomets, the team analysed more than 1000 observations obtained between 2003 and 2011 with the HARPS instrument on the ESO 3.6-metre telescope at the La Silla Observatory in Chile.

The researchers selected a sample of 493 different exocomets. Some exocomets were observed several times and for a few hours. Careful analysis provided measurements of the speed and the size of the gas clouds. Some of the orbital properties of each of these exocomets, such as the shape and the orientation of the orbit and the distance to the star, could also be deduced.

This analysis of several hundreds of exocomets in a single exo-planetary system is unique. It revealed the presence of two distinct families of exocomets: one family of old exocomets whose orbits are controlled by a massive planet [1], and another family, probably arising from the recent breakdown of one or a few bigger objects. Different families of comets also exist in the Solar System.

The exocomets of the first family have a variety of orbits and show a rather weak activity with low production rates of gas and dust. This suggests that these comets have exhausted their supplies of ices during their multiple passages close to Beta Pictoris [2].

The exocomets of the second family are much more active and are also on nearly identical orbits [3]. This suggests that the members of the second family all arise from the same origin: probably the breakdown of a larger object whose fragments are on an orbit grazing the star Beta Pictoris.

Flavien Kiefer concludes: “For the first time a statistical study has determined the physics and orbits for a large number of exocomets. This work provides a remarkable look at the mechanisms that were at work in the Solar System just after its formation 4.5 billion years ago.”

Notes

[1] A giant planet, Beta Pictoris b, has also been discovered in orbit at about a billion kilometres from the star and studied using high resolution images obtained with adaptive optics.

[2] Moreover, the orbits of these comets (eccentricity and orientation) are exactly as predicted for comets trapped in orbital resonance with a massive planet. The properties of the comets of the first family show that this planet in resonance must be at about 700 million kilometres from the star  — close to where the planet Beta Pictoris b was discovered.

[3] This makes them similar to the comets of the Kreutz family in the Solar System, or the fragments of Comet Shoemaker-Levy 9, which impacted Jupiter in July 1994.

More information

This research was presented in a paper entitled "Two families of exocomets in the Beta Pictoris system" which will be published in the journal Nature on 23 October 2014.

The team is composed of F. Kiefer (Institut d’astrophysique de Paris [IAP], CNRS, Université Pierre & Marie Curie-Paris 6, Paris, France), A. Lecavelier des Etangs (IAP), J. Boissier (Institut de radioastronomie millimétrique, Saint Martin d’Hères, France), A. Vidal-Madjar (IAP), H. Beust (Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble [IPAG], CNRS, Université Joseph Fourier-Grenoble 1, Grenoble, France), A.-M. Lagrange (IPAG), G. Hébrard (IAP) and R. Ferlet (IAP).

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”.

Links

• Research paper in Nature
• Photos of La Silla
• Photos of HARPS

Contacts

Alain Lecavelier des Etangs
Institut d'astrophysique de Paris (IAP)/CNRS/UPMC
France
Tel: +33-1-44-32-80-77
Cell: +33 6 21 75 12 03
Email: lecaveli@iap.fr

Flavien Kiefer
Institut d'astrophysique de Paris (IAP)/CNRS/UPMC and School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University
France / Israel
Tel: +972-502-838-163
Email: kiefer@iap.fr

Richard Hook
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