황소자리 HL(HL Tauri) : ALMA가 촬영한 황소자리 HL 주변의 원시행성원반

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진 1> 이 사진은 ALMA가 촬영한 최고 해상도 사진으로서 허블 우주망원경이 가시광선 대역에서 촬영가능한 수준보다 훨씬더 고해상도의 사진이다. 

사진에서는 갓 태어난 별 황소자리 HL 주위를 둘러싼 원시행성원반이 나타나있다.

ALMA의 이 관측 데이터는 이전에는 결코 볼 수 없었던 원반 내부의 구조도 보여주고 있으며 원반 내 어두운 대역 안에 행성의 형성이 진행중일 것으로 보이는 위치까지도 보여주고 있다.

 

ALMA가 촬영한 황소자리 HL 주변의 원시행성원반

 

ALMA가 촬영한 새로운 사진은 어린 별 주위를 휘감고 있으면서 행성을 만들고 있는 원반에 대해 이전에는 결코 볼 수 없었던 세세한 모습을 이례적으로 밝혀주고 있다.

이번 관측은 거의 최종 설정 단계에 와 있는 ALMA를 이용하여 서브밀리미터 파장의 관측 사상 최고 해상도의 사진들을 만들어낸 첫번재 관측에 해당한다.

이번 새로운 관측 결과는 어떻게 원시행성원반이 발생하며 어떻게 행성이 만들어지는지를 이해하는데 있어 위대한 첫 걸음이라 할 수 있다.

 

새롭고 강력한 기능을 탑재한 ALMA를 이용한 첫번째 관측 대상으로 과학자들은 황소자리 HL 별을 지목하였다.
이 별은 먼지 가득한 원반을 두르고 있는 450광년 거리의 어린 별이다[1].

그 결과로 만들어진 사진은 기대 이상이며, 별 탄생 직후 남겨진 물질들의 원반에 대하여 예상치 못한 세세한 모습까지도 밝혀주었다.

 

사진에서는 서로 떨어져 있으면서 동심을 갖는 일련의 밝은 고리들을 보여주고 있다[2].

 

ALMA 부국장 스튜어트 코더(Stuartt Corder)의 소감은 다음과 같다.
"이번 관측 자료들은 원반 내에서 형성이 진행중인 어린 행성과 같은 천체의 결과를 거의 확실하게 증명해주는 것입니다.
이건 정말 놀라운 결과입니다. 왜냐하면 이처럼 어린 별들에서는 우리가 사진에서 보는 것과 같은 구조물들을 만들어낼만한 거대 행성체가 존재할 것이라고 예상할 수 없었기 때문입니다."

 

ALMA 프로그램 과학자이자 ALMA 장기선 캠페인의 수석 프로그램 과학자인 카트린 블라키스(Catherine Vlahakis)의 설명은 다음과 같다.
"우리 모두 처음 사진을 봤을 때, 인상적인 정밀도에 탄성을 자아내지 않을 수 없었습니다.
황소자리 HL은 100만년도 채 되지 않은 어린 별입니다. 그런데 이미 행성의 형성이 거의 진행된 것으로 보이는 원반을 가지고 있었죠.
이 사진 한장만으로도 행성 형성 이론은 혁명을 맞게 될 것입니다."

 

황소자리 HL 별의 원반은 행성계의 나이에서 예측된 것보다 훨씬 더 많은 발달 양상을 보이고 있엇다.

따라서 ALMA의 사진은 이전에 생각했던것보다도 훨씬 빠른 속도로 행성의 형성이 진행된다는 점을 시사하고 있는 것이다.

 

이와 같이 높은 해상도는 ALMA의 장기선 능력에 의해서만 달성될 수 있으며 심지어는 허블 우주망원경과 같은 다른 장비로서는 취득할 수 없는 새로운 정보를 천문학자들에게 제공해주었다.

 

ALMA 국장 피에르 콕스(Pierre Cox)의 소감은 다음과 같다.
"이와 같은 먼 거리에 안테나를 위치시키는데는 수송과 기반시설의 구축이 필요했고, 기술자들과 과학자들로 구성된 국제 전문 연구팀에 의해 유례없는 협력과 노력이 필요했습니다.
이 장기선은 ALMA의 주요 목표의 하나를 성취한 것이며  공학적, 과학적, 기술적 측면 모두에서 인상적인 업적을 달성한 것입니다."
  

황소자리 HL과 같은 별들은 가스와 미세 먼지의 구름 속에서 탄생하며 중력 작용에 의해 붕괴된 지역 내에서 고온 고밀도의 핵이 형성되고 궁극적으로 이 핵이 점화되면서 어린 별로서 진화한다. 

이 어린 별들은 가스와 먼지 속에서 고치상태로 생애를 시작하고, 이 고치는 최종적으로 원시행성 원반이라고 알려진 원반을 형성하게 된다.

이 먼지 입자들은 수많은 충돌을 거쳐 서로 달라붙게 되고, 모레알갱이나 자갈 크기의 덩어리로 몸집을 키우게 된다.

궁극적으로 소행성이나 혜성, 그리고 행성들도 이 원반으로부터 생성된다.

 

갓 태어난 행성들은 원반을 파열시키면서 ALMA의 관측 자료에서 보이는 구조와 같은 고리와 간극, 구멍들을 만들어내게 된다[3].

이러한 원시행성원반에 대한 탐구는 태양계에서 우리 지구가 어떻게 형성되었는지를 이해하는데 있어 핵심적인 사항이다.

황소자리 HL 주변의 행성 형성의 첫번째 단계를 관측하는 것은 40억년도 훨씬 이전에 태양계에서 우리 행성계가 어떻게 형성되었는지를
목격하는 것일지도 모른다.

 

ESO의 사무총장인 팀 드 제우프(Tim de Zeeuw)의 소감은 다음과 같다.
"오늘날 우리가 알고 있는 행성 형성의 대부분은 이론에 기반을 두고 있는 것입니다.
이처럼 정밀한 사진들은 지금까지는 컴퓨터 시뮬레이션이나 상상화에 의해서만 가능했던 것이죠.
황소자리 HL에 대한 고해상도 사진은 ALMA가 가장 거대한 배치상태에서 조작되었을 때 이룰 수 있는 성과가 무엇인지를 보여준 것이라 할 수 있습니다.
그리고 별과 행성의 형성에 대한 우리의 탐험에 새로운 지평을 열게 된 것이라 할 수 있죠."

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESA/Hubble and NASA  Acknowledgement: Judy Schmidt

 

사진 2> 이 사진은 ALMA를 이용하여 촬영한 황소자리 HL및 그 주변과(상단 우측 확대된 네모상자) 허블 우주망원경이 촬영한 주변 풍경을 합성한 것이다. 이 사진은 허블우주망원경으로 얻을 수 있는 해상도를 넘어선 첫번째 ALMA 사진이다.

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진 3>

 

Credit: ESA/Hubble and NASA  Acknowledgement: Judy Schmidt

 

사진 4> 이 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 것으로서 원시행성원반에 둘러싸여 있는 갓태어난 어린별 황소자리 HL과 그 주변의 혼란스러운 풍경을 함께 보여주고 있다.

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

표1> 이 표는 원시행성원반에 둘러싸인 황소자리 HL과 태양계의 크기를 비교하고 있다.

비록 이 별은 태양보다는 훨씬 작지만 이 별의 원반은 태양과 해왕성 거리의 거의 3배에 달하는 거리까지 뻗어있다.

 

Credit: ESO/L. Calcada

 

그림 1> 이 그림은 행성의 형성이 진행중인 원시행성원반에 둘러싸인 어린 별을 그린 상상화이다.

천문학자들이 15킬로미터 기선의 ALMA를 이용하여 복잡한 구조를 밝혀주는 원시행성원반의 정밀한 사진을 처음으로 촬영해냈다.

가스로 이루어진 동심원의 고리들과 행성의 형성을 암시하는 간극이 상상화에 묘사되어 있으며 이는 컴퓨터시뮬레이션에 의해 예견된 것이기도 하다.

이번에 ALMA가 처음으로 그 구조를 관측한 것이다.

이정도 스케일에서는 행성이 보이지 않는 것에 주의할 필요가 있다. 

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진 6> 이 사진은 황소자리 HL이 자리잡고 있는 지역을 담고 있다.

이 지역은 별이 생성되고 있는 지구와 가장 가까운 지역 중 하나이며 이곳 인근에는 수많은 먼지구름들 뿐 아니라 수많은 어린 별들이 존재한다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영 및 제작된 것이다.

 

Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표2> 황소자리 HL은 인상적인 먼지 원반에 둘러싸인 어린 별이다.

이 별은 그 유명한 황소자리에 위치하고 있으며 육안으로도 보이는 플레이아데스 및 히아데스 성단으로부터 가까이 위치하고 있다.

그러나 이 별은 너무나 희미해서 소규모 망안경으로는 볼 수 없다.

 

 

Credit:  ESO. 

 

각주
[1] 2014년 9월 이래 ALMA는 최고 15킬로미터 간격으로 떨어져 있는 안테나들과 함께 가장 기다란 기선을 활용하여 우주를 관측해오고 있다. 
기다란 기선 캠페인은 2014년 12월 1일까지 계속될 예정이다. 
기선은 배열 상에서 두 개 안테나 사이의 거리를 말한다. 
이와 비교하여 밀리미터 파장의 조작 기능을 제공하는 다른 설비들에서 안테나 간의 이격 거리는 2킬로미터를 넘지 못한다. 
ALMA가 활용할 수 있는 가장 기다란 기선은 16킬로미터이다. 
향후 좀더 짧은 파장에서의 관측은 훨씬 고화질의 해상도를 얻을 수 있게 될 것이다.

 

[2] 이 구조는 태양 지구 거리의 고작 5배밖에 되지 않는 해상도로 보이고 있다.

이를 분각 해상도로 환산하면 대략 35밀리각초에 해당하는데 이는 허블 우주망원경의 일반적으로 달성할 수 있는 해상도보다도 훨씬 우수한 것이다.

 

[3] 가시광선에서 황소자리 HL은 무거운 질량을 가진 먼지와 가스더미 속에 숨겨져 있다.

그러나 ALMA는 훨씬 기다란 파장을 이용하여 관측을 하며 이를 통해 구름의 심장부에서 벌어지고 있는 일에 대해 연구할 수 있다.

 
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 11월 6일자 
          http://www.eso.org/public/news/eso1436/

 

참고 : 각종 외계행성에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346973

참고 : ALMA 장기선 캠페인의 관측 대상 천체에 대한  내용은 하기 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
         소행성 주노 :  https://big-crunch.tistory.com/12347866
         SDP.81 중력렌즈 은하 :  https://big-crunch.tistory.com/12347867         

 

원문>

eso1436 — Photo Release

Revolutionary ALMA Image Reveals Planetary Genesis

6 November 2014

This new image from ALMA, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, reveals extraordinarily fine detail that has never been seen before in the planet-forming disc around a young star. These are the first observations that have used ALMA in its near-final configuration and the sharpest pictures ever made at submillimetre wavelengths. The new results are an enormous step forward in the observation of how protoplanetary discs develop and how planets form.

For ALMA’s first observations in its new and most powerful mode, researchers pointed the antennas at HL Tauri — a young star, about 450 light-years away, which is surrounded by a dusty disc [1]. The resulting image exceeds all expectations and reveals unexpectedly fine detail in the disc of material left over from star birth. It shows a series of concentric bright rings, separated by gaps [2].

"These features are almost certainly the result of young planet-like bodies that are being formed in the disc. This is surprising since such young stars are not expected to have large planetary bodies capable of producing the structures we see in this image," said Stuartt Corder, ALMA Deputy Director.

“When we first saw this image we were astounded at the spectacular level of detail. HL Tauri is no more than a million years old, yet already its disc appears to be full of forming planets. This one image alone will revolutionise theories of planet formation,” explained Catherine Vlahakis, ALMA Deputy Program Scientist and Lead Program Scientist for the ALMA Long Baseline Campaign.

HL Tauri’s disc appears much more developed than would be expected from the age of the system. Thus, the ALMA image also suggests that the planet-formation process may be faster than previously thought.

Such high resolution can only be achieved with the long baseline capabilities of ALMA and provides astronomers with new information that is impossible to collect with any other facility, even the NASA/ESA Hubble Space Telescope. “The logistics and infrastructure required to place antennas at such distant locations required an unprecedented coordinated effort by an expert international team of engineers and scientists,” said ALMA Director, Pierre Cox. “These long baselines fulfill one of ALMA’s major objectives and mark an impressive technological, scientific and engineering milestone.”

Young stars like HL Tauri are born in clouds of gas and fine dust, in regions which have collapsed under the effects of gravitation, forming dense hot cores that eventually ignite to become young stars. These young stars are initially cocooned in the remaining gas and dust, which eventually settles into a disc, known as a protoplanetary disc.

Through many collisions the dust particles will stick together, growing into clumps the size of sand grains and pebbles. Ultimately, asteroids, comets and even planets can form in the disc. Young planets will disrupt the disc and create rings, gaps and holes such as those seen in the structures now observed by ALMA [3].

The investigation of these protoplanetary discs is essential to our understanding of how Earth formed in the Solar System. Observing the first stages of planet formation around HL Tauri may show us how our own planetary system may have looked more than four billion years ago, when it formed.

“Most of what we know about planet formation today is based on theory. Images with this level of detail have up to now been relegated to computer simulations or artist’s impressions. This high resolution image of HL Tauri demonstrates what ALMA can achieve when it operates in its largest configuration and starts a new era in our exploration of the formation of stars and planets,” says Tim de Zeeuw, Director General of ESO.

Notes

[1] Since September 2014 ALMA has been observing the Universe using its longest ever baselines, with antennas separated by up to 15 kilometres. This Long Baseline Campaign will continue until 1 December 2014. The baseline is the distance between two of the antennas in the array. As a comparison, other facilities operating at millimetre wavelengths provide antennas separated by no more than two kilometres. The maximum possible ALMA baseline is 16 kilometres. Future observations at shorter wavelengths will achieve even higher image sharpness.

[2] The structures are seen with a resolution of just five times the distance from the Sun to the Earth. This corresponds to an angular resolution of about 35 milliarcseconds — better than what is routinely achieved with the NASA/ESA Hubble Space Telescope.

[3] In visible light, HL Tauri is hidden behind a massive envelope of dust and gas. ALMA observes at much longer wavelengths, which allows it to study the processes right at the core of this cloud.

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.

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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