파편이 흩어져 있는 외계행성계의 건설현장을 탐사하다.

 

Credit: NASA, ESA, G. Schneider (University of Arizona), and the HST/GO 12228 Team

 

사진 1> 이 사진은 어린 별들 주위를 감싸고 있는 원반계의 구조를 허블우주망원경이 촬영한 것이다.
MP Mus를 포함한 10여 개의, 이전에 발견된 원반계가 연구되었다.

허블의 고해상도 관측 능력은 예상밖의 다양성과 복잡성을 보여주는 원반계의 구조를 알려주었다.
이 구조들은 우리 태양계에 존재하는 것보다 훨씬 광활하고 거대한 규모를 보여주고 있다.

몇몇 원반들은 우리에게 모서리를 향하고 있기도 하며, 어떤 원반들은 전체의 모습을 우리에게 보여주고 있기도 하다.
원반의 비대칭 구조나 구부로진 구조는 별이 성간 우주를 통과하면서 만들어낸 현상이거나 눈에는 보이지 않는 행성 때문일지도 모른다.

특별히 HD 181327에서 보이는 비대칭 구조에서 물질들이 마치 스프레이처럼 분출하고 있는 모습들이 보이는데 이는 별로부터 매우 먼거리에서 발생하고 있는 사건이었다.
이는 두 개 천체간의 충돌의 여파일 수 있으며, 이는 눈에 보이지 않는 이 행성계가 엄청난 혼란 와중에 있음을 말해주고 있다.

이번 관측 대상이 된 별은 1천만년 정도의 어린별부터 10억년 정도의 성숙한 별까지를 대상으로 이루어졌다.
가시광 관측은 허블우주망원경의 분광화상기(the Space Telescope Imaging Spectrograph, 이하 STIS)를 이용하여 수행되었다.
STIS의 코로나그래프는 별로부터 발생하는 빛을 차단하여 별빛을 반사하고 있는 희미한 먼지 구조를 볼 수 있게 해 준다.
이 사진들은 인공적으로 색체가 입혀지고, 세부 모습이 강화된 것이다.

천문학자들이 허블 우주망원경을 이용하여 별들의 주위를 감싸고 있는 파편 원반에 대해 가장 대규모로 실행된, 가장 고감도 가시광선 촬영 관측을 완료하였다.

행성의 형성 이후 남겨진 물질들간의 충돌에 의해 생성된 것으로 보이는 이 먼지 가득한 원반들은 작게는 1천만년부터 길게는 10억년까지의 연령을 가진 별들 주위에서 촬영되었다.

 

이번 탐사의 책임자인 아리조나 대학 스튜어드 천문대 글렌 슈나이더(Glenn Schneider)의 소감은 다음과 같다.
"이것은 우리 태양계에서 행성들이 형성된 이후 일상적으로 발생했던 파괴 사건들을 시간을 거슬러 올라가 보는 것과 같은 것이었답니다."
 

이번 관측 결과는 2014년 10월 1일 아스트로노미컬 저널에 발표되었다.

 

한때는 단순히 팬케이크와 같은 중첩 구조로 생각됐지만 실제로는 예상을 벗어난 복잡성과 다양성을 보여주는 이 먼지 가득한 파편들의 구조는 별 주위를 공전하고 있는 눈에 보이지 않는 행성들의 중력적 영향을 받는다는 사실을 강력하게 시사하고 있다.

또는 이러한 효과는 성간 우주 공간을 통과하는 별로부터 발생할 수도 있다.

 

과학자들은 별들을 둘러싼 물질의 원반으로서 동일하게 보이는 것은 하나도 없다는 것을 밝견했다.

 

슈나이더의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이 원반계가 동일한 외양을 가진 그저 평평하기만한 구조가 아니라는 것을 발견했습니다.
이들은 실제 매우 정교한 3차원 구조를 가진 파편원반계였으며 종종 더 작은 구조체를 품고 있기도 했습니다.
이들 기초 구조들은 눈에는 보이지 않지만 행성이 존재한다는 것을 알려주는 단서가 될 수도 있죠."
 
천문학자들은 허블 우주망원경과의 분광화상기를 이용하여 이전에 발견된 10개의 원반계를 관측하였다.
여기에는 MP Mus를 포함하여 갓 만들어진 파편 원반계와 비교될만큼 성숙한 원시행성 원반계도 포함되어 있다.

 

사진 2> MP Mus   Credit: NASA, ESA, G. Schneider (University of Arizona), and the HST/GO 12228 Team

 

특별히 HD 181327로 등재된 별 주위의 고리와 같은 원반에서는 들쭉 날쭉한 모습이 관측되기도 했는데 마치 파편들이 거대한 스프레이처럼 분출되는 모습을 닮았고, 이는 최근 두 개 천체의 충돌로부터 야기되어 원반계 바깥쪽으로 빠져나가고 있는 듯이 보였다.

 

 

사진 3> HD 181327  Credit: NASA, ESA, G. Schneider (University of Arizona), and the HST/GO 12228 Team

 

이번 논문의 공동 연구자인 NASA 고다드 우주비행센터의 크리스토퍼 스타크( Christopher Stark)의 설명은 다음과 같다.
"이 물질의 분출은 명확하게 자신의 별로부터 멀리 떨어진 거리에서 발생하고 있었는데, 그 거리는 대략 태양과 플루토의 두 배 정도 거리였죠.
이처럼 엄청난 거리로 떨어져 있는 곳에서 무거운 천체들의 괴멸적인 파괴가 발생하고 있다는 것은 설명하기 어렵습니다. 그리고 매우 드문 경우이기도 하죠.
만약 우리가 정말 무거운 질량을 가진 천체 간에 최근에 발생한 대규모 파괴를 목격하고 있는 것이라면 이 눈에 보이지 않는 행성계는 지금 엄청난 혼란 상태에 빠져 있는 것임이 틀림 없습니다."
 
둘쭉날쭉한 구조에 대한 또다른 해석은 별이 성간 공간을 지나갈 때, 눈에 보이지 않는 성간 물질의 직접적인 영향을 받아 원반이 구부러진 모습을 보이는 것이라고 가정하고 있다.

 

슈나이더의 설명은 다음과 같다.
"가능성이 어느쪽이든 간에 그 대답은 흥미롭기 이를데가 없습니다.
우리 팀은 현제 이러한 불규칙적인 모습의 진정한 원인이 무엇인지를 알아내기 위한 후속 관측 및 분석을 진행하고 있습니다."

 

과거 수년동안 천문학자들은 외계행성계의 구조에서 놀랍도록 많은 다양성이 존재한다는 것을 발견했다.
행성들이 공전궤도 상에 배열하고 있는 양상은 우리 태양계와는 사뭇 다른 경우가 많았다.
 

슈나이더의 설명은 다음과 같다.
"우리는 지금 파편 원반계를 동반하는 구조내에서 유사한 다양성을 보고 있습니다.
행성들은 어떻게 원반에 영향을 미치는가? 그리고 원반은 어떻게 행성들에게 영향을 미치는가?
행성과 여기에 수반된 파편들 사이에는 일종의 상호의존성이 존재하며 이는 외계행성계의 진화에 영향을 미치는 것이 틀림 없습니다."
   
슈나이더는 이 소량의 샘플로부터 가장 중요한 메시지는 다양한 요소를 이해하는 것이라고 말하고 있다.
천문학자들은 별폭풍과 성간 물질구름들간의 상호작용과 같은 원반계의 내부 및 외부적 영향을 이해하여야 하며, 이들이 중심 별의 질량이나 연령에 의해 어떻게 영향을 받는지, 행성을 형성하는데 필요한 무거운 물질들의 정도는 어떻게 되는지와 같은 일들을 알아야 한다고 슈나이더는 강조하였다.

 

비록 천문학자들은 1995년 이래로 거의 4천개에 육박하는 외계행성 후보를 발견했지만, 이들 대부분은 간접적인 방법으로 탐지된 것이며, 동일한 기간 중에 빛이 산란되고 있는 원반계로는 20여개의 원반계만이 촬영되었다.

이처럼 수가 얼마되지 않는 것은 파편 원반들의 경우 자신의 별보다 일반적으로 10만배나 더 어두우며, 자신의 별에 매우 가깝게 붙어있기 때문이다.

 

이들 상당수는 허블우주망원경의 고대비 화상화 기술 때문에 관측될 수 있었다.
허블 우주망원경은 별로부터 발생하는 압도적인 불빛을 차단함으로써 그 별을 감싸고 있는 희미한 원반의 존재를 드러내게 해 주고 있는 것이다.

 

이번 연구는 46억년전 우리 태양계가 어떻게 형성되고 진화하였는지에 대한 통찰도 제공해 줄 것이다.

특별히 HD 181327 주변에서 관측된 행성의 충돌로 의심되는 현상은 40억년전 플루토-카론의 형성 뿐 아니라 지구와 달의 형성과 유사할 수 있을 것으로 보인다.

이런 경우 행성 크기의 몸체를 가진 천체간의 충돌로부터 만들어진 파편들이 합체하여 동반 위성을 만들게 된다.

 

Credit: NASA, ESA, G. Schneider (University of Arizona), and the HST/GO 12228 Team

 

표1> 허블 GO/12228 프로그램 파편 원반 샘플

 

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 11월 6일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/44/full/

 

참고 : 다양한 외계행성 및 외계행성계에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-44

Hubble Surveys Debris-Strewn Exoplanetary Construction Yards

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have completed the largest and most sensitive visible-light imaging survey of dusty debris disks around other stars. These dusty disks, likely created by collisions between leftover objects from planet formation, were imaged around stars as young as 10 million years old and as mature as more than 1 billion years old.

"It's like looking back in time to see the kinds of destructive events that once routinely happened in our solar system after the planets formed," said survey leader Glenn Schneider of the University of Arizona's Steward Observatory. The survey's results appeared in the Oct. 1, 2014, issue of The Astronomical Journal.

Once thought to be simply pancake-like structures, the unexpected diversity and complexity of these dusty debris structures strongly suggest they are being gravitationally affected by unseen planets orbiting the star. Alternatively, these effects could result from the stars' passing through interstellar space.

The researchers discovered that no two "disks" of material surrounding stars look the same. "We find that the systems are not simply flat with uniform surfaces," Schneider said. "These are actually pretty complicated three-dimensional debris systems, often with embedded smaller structures. Some of the substructures could be signposts of unseen planets." The astronomers used Hubble's Space Telescope Imaging Spectrograph to study 10 previously discovered circumstellar debris systems, plus MP Mus, a mature protoplanetary disk of age comparable to the youngest of the debris disks.

Irregularities observed in one ring-like system in particular, around a star called HD 181327, resemble the ejection of a huge spray of debris into the outer part of the system from the recent collision of two bodies.

"This spray of material is fairly distant from its host star — roughly twice the distance that Pluto is from the Sun," said co-investigator Christopher Stark of NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. "Catastrophically destroying an object that massive at such a large distance is difficult to explain, and it should be very rare. If we are in fact seeing the recent aftermath of a massive collision, the unseen planetary system may be quite chaotic."

Another interpretation for the irregularities is that the disk has been mysteriously warped by the star's passage through interstellar space, directly interacting with unseen interstellar material. "Either way, the answer is exciting," Schneider said. "Our team is currently analyzing follow-up observations that will help reveal the true cause of the irregularity."

Over the past few years astronomers have found an incredible diversity in the architecture of exoplanetary systems -— planets are arranged in orbits that are markedly different than found in our solar system. "We are now seeing a similar diversity in the architecture of accompanying debris systems," Schneider said. "How are the planets affecting the disks, and how are the disks affecting the planets? There is some sort of interdependence between a planet and the accompanying debris that might affect the evolution of these exoplanetary debris systems."

From this small sample, the most important message to take away is one of diversity, Schneider said. He added that astronomers really need to understand the internal and external influences on these systems, such as stellar winds and interactions with clouds of interstellar material, and how they are influenced by the mass and age of the parent star, and the abundance of heavier elements needed to build planets.

Though astronomers have found nearly 4,000 exoplanet candidates since 1995, mostly by indirect detection methods, only about two dozen light-scattering, circumstellar debris systems have been imaged over that same time period. That's because the disks are typically 100,000 times fainter than, and often very close to, their bright parent stars. The majority have been seen because of Hubble's ability to perform high-contrast imaging, in which the overwhelming light from the star is blocked to reveal the faint disk that surrounds the star.

The new imaging survey also yields insight into how our solar system formed and evolved 4.6 billion years ago. In particular, the suspected planet collision seen in the disk around HD 181327 may be similar to how the Earth-Moon system formed, as well as the Pluto-Charon system over 4 billion years ago. In those cases, collisions between planet-sized bodies cast debris that then coalesced into a companion moon.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Glenn Schneider
University of Arizona, Tucson, Ariz.
520-621-5865
gschneider@as.arizona.edu