VLTI가 외계행성계의 황도광을 탐지하다.

 

Credit: ESO/L. Calcada

 

그림> 이 그림은 상상의 행성에서 바라본, 하늘을 가로지르며 펼쳐져 있는 찬란한 외계황도광과 그 빛이 미리내의 빛을 압도하고 있는 모습을 그려본 것이다.

이 빛은 소행성 간의 충돌이나 혜성의 증발에 의해 만들어진 뜨거운 먼지에 별빛이 반사되면서 만들어지는 것이다. 
몇몇 별들의 안쪽 지역에 존재하는 이와 같은 두꺼운 먼지구름들은 향후 지구와 같은 행성을 직접적으로 촬영하는데 방해물이 될 것으로 보인다.

 

VLTI가 외계행성계의 황도광을 탐지하다.- 외계행성을 직접적으로 촬영하는데 예상되는 새로운 도전들.

 

천문학자들로 구성된 국제 연구팀이 초거대망원경 간섭계(the Very Large Telescope Interferometer, 이하 VLTI)의 탐사 능력을 활용하여, 지근 거리에 존재하는 9개 별 주위의 생명체 서식 가능 지역 근처에서 발생한 외계황도광을 발견해냈다.
이 빛은 소행성들 간의 충돌이나 혜성의 증발과 같은 사건의 결과로 만들어진 우주먼지에 별빛이 반사되면서 나타나는 빛이다.
몇몇 별 주위를 안쪽에서 감싸고 있는 상당한 양의 우주먼지의 존재는 장래에 우리 지구와 같은 행성들을 직접적으로 촬영하는데 방해물들인 듯 보인다.
 

천문학자들이 VLTI를 이용한 근적외선 관측[1]을 통해 가까운 거리의 92개 별들을 관측하여 각 별의 생명체 서식 가능 지역 가까이에서 뜨거운 먼지들로부터 나타나는 외계황도광을 탐사하였고, 이 데이터를 이전의 관측 자료와 결합시켰다.[2]

 

목표 별 중 9개 별의 주변에서 뜨거운 외계황도광 상의 먼지 알갱이가 불타오르거나 또는 이 알갱이에 별빛이 반사되면서 만들어진 밝은 외계황도광이 관측되었다.

 

지구에서는 어둡고 청명한 하늘을 가진 지역에서 해가 진 후 또는 여명이 시작되기 전 밤하늘에 희미하게 뿌려진 하얀색 황도광을 볼 수 있다.

이는 태양빛이 미세한 입자들에 반사되면서 만들어지는 것으로 태양 바로 인근으로부터 상당히 뻗어나간 양상을 보여준다.

 

Credit: ESO/Y.Beletsky

 

사진 1> 별이 가득 들어찬 하늘에 황도광에 의해 만들어진 밝은 빛 기둥이 ESO 초거대망원경의 집인 체로 파라날 주변의 사막을 비추고 있다.

 

 

Credit: ESO/Y. Beletsky

 

사진 2> 황도광을 촬영한 이 아름다운 사진은 압도적인 달빛과 빛공해로부터 차단된 최상의 밤하늘에 나타난 삼각형 빛을 촬영한 것이다.
이 사진은 2009년 7월 칠레 ESO 라실라 천문대에서 촬영되었으며 해가 지고 몇 분 후 서쪽을 바라보며 촬영된 것이다.
고도 2400미터의 라실라 아래 계곡에는 운해가 들어차 있고, 봉우리와 준령들이 연무를 뚫고 솟아 있다.
황도광은 지구와 태양 사이의 먼지 입자에 태양빛이 반사되는 현상이며 해가 진후, 그리고 해가 뜨기 전에 가장 잘 관측되는 현상이다.
그 이름이 의미하듯이 이 천상의 불빛은 황도십이궁이라 알려진 별자리의 고리에서 나타난다.
황도대에서 발견되는 이 별자리들은 태양이 지구의 하늘에서 움직이는 명백한 '궤도'를 나타낸다.

 

이 반사광은 지구에서뿐 아니라 태양계 어디에서도 관측 가능하다.
이번에 관측된 빛은 이와 동일한 현상으로서 훨씬 더 극단적인 버전이라 할 수 있다.

 

다른 행성계에서 발생하는 황도광인 외계황도광은 이미 이전부터 관측되어 왔지만, 이번 연구는 지근 거리의 별 주변에서 발생하는 이 현상에 대한 첫번째 대규모의 체계적인 연구에 해당한다.

 

이전 연구에서는 후에 행성으로 형성될 수 있는 먼지들에 대해서는 관측을 수행하지 않았는데 이 먼지들은 크기가 몇 킬로미터밖에 되지 않는 작은 행성들간의 충돌에 의해 만들어졌다. - 이 천체들은 미행성이라 불리며 태양게의 소행성이나 혜성과 유사한 천체이다.
이러한 종류의 먼지들은 태양계 황도광의 기원이 될 수도 있다.

 

이번 논문의 수석 저자인 ESO와 프랑스 그레노블 대학 소속의 스티브 에르텔(Steve Ertel)의 설명은 다음과 같다.
"만약 우리가 생명체 서식 가능 지역 가까이에 존재하는 지구와 같은 행성의 진화에 대해 공부하고자 한다면 이 지역에 존재하는 황도광을 연구할 필요가 있습니다.  

다른 별 주위에서 이런 종류의 먼지들을 발견해내고 그 특징을 규명짓는 것은 행성계의 진화와 구조를 연구하는 방법이 됩니다."

 

작렬하는 중심 별 가까이 존재하는 희미한 먼지를 탐사해내기 위해서는 높은 대비 능력을 지닌 고해상도 관측이 필요하다.

적외선 상에서 정확하게 동시간대에 여러개의 망원경을 활용하여 축적된 빛을 연결하는 간섭계 기능은 아직까지는 이와 같은 종류의 발견과 연구를 가능하게 해주는 유일한 기술이다.

 

VLTI의 관측 능력을 활용함으로써, 그리고 정확도와 효율측면에서 있어 장비의 능력을 극단까지 사용함으로써, 연구팀은 다른 장비들에서 수행할 수 있는 수준보다 10배 이상 향상된 수준의 관측을 수행할 수 있었다.

 

개개의 별에 대해 연구팀은 1.8미터 보조 망원경을 이용하여 빛을 VLIT에 공급하였다.
연구팀은 강력한 외계황도광이 발생하고 있는 지역을 확장된 먼지 원반 상에서 구분해 낼 수 있었고 황도광의 희미한 빛을 전체를 장악한 별빛으로부터 분리해낼 수 있었다[3].

 

외계황도먼지 원반에 의해 둘러싸인 별들의 속성을 분석함으로써, 연구팀은 이 먼지의 대부분이 좀더 나이가 많은 별들 주위에서 탐지되었다는 점을 알아냈다.

이러한 결과는 매우 놀라운 결과이며 행성계에 대한 우리의 이해에 몇몇 의문을 제시하는 결과이다.
미행성간의 충돌에 의해 만들어지는 먼지에 대해서는, 미행성들이 파괴를 통해 수가 점점 줄어들기 때문에 이 먼지들 역시 오랜시간에 걸쳐 감소하는 것으로 알려져 있다.

 

관측의 대상이 된 별에는 외계행성의 탐지가 알려진 14개의 별들이 포함되어 있었다.

각 행성계에서 이들 행성이 위치하고 있는 지역은 외계황도광을 보여준 지역과 동일한 지역이었다.
이처럼 한 행성계에서 행성과 외계황도광이 함께 존재하는 것은 외계행성에 대한 천문학적 연구에 새로운 문제를 제기할 것으로 보인다.

 

외계황도의 먼지 복사를 직접적으로 탐지하는 것은 지구와 같은 행성을 탐사하는 것보다 훨씬 어려운 일이다.
이번 탐사에서 관측해낸 외계황도광은 태양계에서 관측되는 황도광보다 1000배나 더 밝은 것들이었다.
태양계와 같은 수준의 황도광을 가지고 있는 별의 수는 이번 관측에서 발견된 수보다는 훨씬더 많을 것이다.
따라서 이번 연구는 외계황도광에 대해 보다 세부적인 연구를 진행해 나가는데있어 첫걸음에 지나지 않는다.

 

이번 논문의 공동 저자인 리즈 대학 올리비에르 아브실(Olivier Absil)의 설명은 다음과 같다.
"이처럼 밝은 수준의 황도광을 탐지해낸 높은 비율은 우리 관측에서는 발견되지 않은 희미한 먼지를 가지고 있지만, 우리 태양계의 황도광보다는 훨씬 더 밝은 황도광을 가진 별들이 상당히 많이 있을 거라는 점을 말해주고 있습니다.
많은 별들에서 이러한 먼지의 존재는 앞으로의 관측에서 지구와 같은 외계행성을 직접적으로 촬영하고자 하는 목표에 방해물로서 작용하게 될 것입니다."

 

각주

[1] 연구팀은 VLTI에 특수관측 목적의 장비인 PIONIER를 부착시켜 이용하였다.
이 장비는 4개의 보조망원경이나 파라날 천문대 초거대망원경의 4개 단위 망원경을 간섭계 방식으로 연결할 수 있는 장비이다. 
이 장비는 대상에 대한 극도의 고해상도 데이터를 얻을 수 있게 해줄 뿐 아니라 고효율의 관측도 가능하게 해 준다.

 

[2] 이전 관측은 조지아 주립대학의 고분해능 천문센터(the Center for High Angular Resolution Astronomy, CHARA) 배열을 이용하여 수행되었다.

 

[3] 관측의 부산물로 새로운 발견이 이루어지기도 했는데, 샘플로 사용된 몇몇 무거운 별들 주변을 공전하고 있는 예상밖의 동반성을 발견한 것이 그것이다. 
동일한 데이터를 사용한 상보적 작업을 기술한 추가 논문의 수석 저자인 린드세이 마리온(Lindsay Marion)은 이 새로운 동반성들은 이 유형에 속하는 별들 중 얼마나 많은 별들이 실제 동반성을 가지고 있는지에 대한 현재의 이해를 바꿔야 한다는 점을 알려주고 있다고 말했다.

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 11월 3일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1435/

 

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

 

원문>

eso1435 — Science Release

VLTI Detects Exozodiacal Light

New challenge for direct imaging of exo-Earths

3 November 2014

By using the full power of the Very Large Telescope Interferometer an international team of astronomers has discovered exozodiacal light close to the habitable zones around nine nearby stars. This light is starlight reflected from dust created as the result of collisions between asteroids, and the evaporation of comets. The presence of such large amounts of dust in the inner regions around some stars may pose an obstacle to the direct imaging of Earth-like planets in the future.

Using the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) in near-infrared light [1], the team of astronomers observed 92 nearby stars to probe exozodiacal light from hot dust close to their habitable zones and combined the new data with earlier observations [2]. Bright exozodiacal light, created by the glowing grains of hot exozodiacal dust, or the reflection of starlight off these grains, was observed around nine of the targeted stars. 

From dark clear sites on Earth, zodiacal light looks like a faint diffuse white glow seen in the night sky after the end of twilight, or before dawn. It is created by sunlight reflected off tiny particles and appears to extend up from the vicinity of the Sun. This reflected light is not just observed from Earth but can be observed from everywhere in the Solar System. 

The glow being observed in this new study is a much more extreme version of the same phenomenon. While this exozodiacal light — zodiacal light around other star systems — had been previously detected, this is the first large systematic study of this phenomenon around nearby stars. 

In contrast to earlier observations the team did not observe dust that will later form into planets, but dust created in collisions between small planets of a few kilometres in size — objects called planetesimals that are similar to the asteroids and comets of the Solar System. Dust of this kind is also the origin of the zodiacal light in the Solar System.

“If we want to study the evolution of Earth-like planets close to the habitable zone, we need to observe the zodiacal dust in this region around other stars,” said Steve Ertel, lead author of the paper, from ESO and the University of Grenoble in France. “Detecting and characterising this kind of dust around other stars is a way to study the architecture and evolution of planetary systems.”

Detecting faint dust close to the dazzling central star requires high resolution observations with high contrast. Interferometry — combining light collected at the exact same time at several different telescopes — performed in infrared light is, so far, the only technique that allows this kind of system to be discovered and studied. 

By using the power of the VLTI and pushing the instrument to its limits in terms of accuracy and efficiency, the team was able to reach a performance level about ten times better than other available instruments in the world.

For each of the stars the team used the 1.8-metre Auxiliary Telescopes to feed light to the VLTI. Where strong exozodiacal light was present they were able to fully resolve the extended discs of dust, and separate their faint glow from the dominant light of the star [3]. 

By analysing the properties of the stars surrounded by a disc of exozodiacal dust, the team found that most of the dust was detected around older stars. This result was very surprising and raises some questions for our understanding of planetary systems. Any known dust production caused by collisions of planetesimals should diminish over time, as the number of planetesimals is reduced as they are destroyed.

The sample of observed objects also included 14 stars for which the detection of exoplanets has been reported. All of these planets are in the same region of the system as the dust in the systems showing exozodiacal light. The presence of exozodiacal light in systems with planets may create a problem for further astronomical studies of exoplanets.

Exozodiacal dust emission, even at low levels, makes it significantly harder to detect Earth-like planets with direct imaging. The exozodiacal light detected in this survey is a factor of 1000 times brighter than the zodiacal light seen around the Sun. The number of stars containing zodiacal light at the level of the Solar System is most likely much higher than the numbers found in the survey. These observations are therefore only a first step towards more detailed studies of exozodiacal light.

“The high detection rate found at this bright level suggests that there must be a significant number of systems containing fainter dust, undetectable in our survey, but still much brighter than the Solar System’s zodiacal dust,” explains Olivier Absil, co-author of the paper, from the University of Liège. “The presence of such dust in so many systems could therefore become an obstacle for future observations, which aim to make direct images of Earth-like exoplanets.”

Notes

[1] The team used the VLTI visitor instrument PIONIER, which is able to interferometrically connect all four Auxiliary Telescopes or all four Unit Telescopes of the VLT at the Paranal Observatory. This led to not only extremely high resolution of the targets but also allowed for a high observing efficiency. 

[2] Previous observations were made with the CHARA array — an optical astronomical interferometer operated by the Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) of the Georgia State University, and its fibred beam combiner FLUOR.  

[3] As a by-product, these observations have also led to the discovery of new, unexpected stellar companions orbiting around some of the most massive stars in the sample. "These new companions suggest that we should revise our current understanding of how many of this type of star are actually double," says Lindsay Marion, lead author of an additional paper dedicated to this complementary work using the same data.

More information

This research was presented in a paper “A near-infrared interferometric survey of debris-disc stars. IV. An unbiased sample of 92 southern stars observed in H-band with VLTI/PIONIER”, by S. Ertel et al., to appear in the journal Astronomy & Astrophysics. The complementary paper on companion stars found in the survey is "Searching for faint companions with VLTI/PIONIER. II. 92 main sequence stars from the Exozodi survey", by L. Marion et al., in the same edition of the journal.

The team is composed of S. Ertel (Université Grenoble Alpes, France; ESO, Chile), O. Absil (University of Liège, Belgium), D. Defrère (University of Arizona, USA), J.-B. Le Bouquin (Université Grenoble Alpes), J.-C. Augereau (Université Grenoble Alpes), L. Marion (University of Liège), N. Blind (Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), A. Bonsor (University of Bristol, United Kingdom), G. Bryden (California Institute of Technology, Pasadena, USA), J. Lebreton (California Institute of Technology), and J. Milli (Université Grenoble Alpes)

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 on exozodiacal light
• Complementary research paper on stellar companions
• Announcement on the PIONIER Instrument

Contacts

Steve Ertel
European Southern Observatory
Santiago, Chile
Email: sertel@eso.org

Lindsay Marion
University of Liège
Liège, Belgium
Tel: +32 4 366 97 58
Cell: +32 472 347 742
Email: lindsay.marion@ulg.ac.be

Jean-Charles Augereau
Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)
Grenoble, France
Tel: +33 (0)4 76 51 47 86
Email: Jean-Charles.Augereau@obs.ujf-grenoble.fr

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