파국을 피할 수 없는 한 쌍의 별 - 헤니츠 2-428 (Henize 2-428)의 백색왜성들

 

 

Credit:ESO/L. Calcada 
그림1> 이 상상화는 행성상성운 헤니츠 2-428(Henize 2-428) 의 중심부를 묘사하고 있다.
이 독특한 행성상성운의 중심부는 한쌍의 백색 왜성으로 구성되어 있으며 각 백색왜성의 질량은 태양보다 약간 적은 상태이다. 이 별들은 서로를 약간씩 잡아끌고 있는 것으로 생각되며 7억년 쯤 후에 하나의 별로 통합될 것으로 보인다. 이렇게 되면 이들은 Ia 유형의 찬란한 초신성폭발을 일으키며 파괴될 것이다. 

 

 

Credit:ESO
사진 1> 이 사진은 칠레 파라날천문대의 VLT에 의해 촬영된 독특한 행성상성운의 모습이다.
다채로운 색을 뽐내는 이 행성상성운의 중심에는 각각 태양보다 약간 적은 질량을 가진 한쌍의 백색왜성이 위치하고 있다.

 

 

파국을 피할 수 없는 한 쌍의 별 - 헤니츠 2-428 (Henize 2-428)의 백색왜성들 

 

천문학자들이 ESO의 장비 및 카나리 제도의 망원경들을 함께 활용하여 헤니즈 2-428 (Henize 2-428) 행성상성운의 중심부에 있는 한쌍의 놀랍도록 무거운 질량을 가진 별들을 식별해냈다.

이 별들의 서로에 대한 공전궤도는 천천히 가까워지고 있는 것으로 생각되기 때문에 지금부터 대략 7억년이 지나 이 별들이 서로 충돌하게 되면 장대한 초신성 폭발을 발생시키기에 충분한 물질을 보유하게 될 것이다.
이번 연구 결과는 2015년 2월 9일 네이처지 온라인 판에 개재되었다.

스페인 알칼라 드 헤나레스 국립 천문대(Observatorio Astronomico Nacional, Alcala de Henares, Spain)와 마드리드재료과학 연구소(Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), Madrid, Spain)) 소속의 미구엘 산텐더-가르시아(Miguel Santander-Garcia)가 이끄는 천문학 연구팀은 매우 가깝게 붙어 있는 한쌍의 백색왜성- 작은 체구를 가졌지만 극단적인 밀도를 가지고 있는 별의 잔해 -을 발견했는데, 두 개 백색왜성의 총 질량은 태양 질량의 1.8배 정도이다.

 

이 한쌍의 백색왜성은 이와 같은 이중별로는 지금까지 발견된 천체 중 가장 무거운 질량을 가지고 있는 이중별이며[1] 향후 이 두 개 별이 서로 충돌하게 되면 급격한 열핵폭발 반응이 촉발되면서 Ia유형의 초신성 폭발을 일으키게 될 것이다[2].

 

이 무거운 질량의 이중별을 발견한 연구팀은 실제 전혀 다른 문제를 풀기 위한 노력을 수행하던 와중에 이 현상을 발견해냈다.
연구팀은 왜 몇몇 별들은 삶의 마지막 단계에 괴상한 형태나 비대칭 구조의 성운을 만들어내는지를 연구하던 중이었다.
이러한 연구의 대상 천체 중 하나가 특이한 형태의 행성상성운[3]인 헤니츠 2-428이었던 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 ESO 헨리 보핀(Henri Boffin)의 소감은 다음과 같다.
"우리가 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 통해 이 천체의 중심부를 관측했을 때 이 이상한 구체 불꽃 구름을 가진 천체의 심장부에 있는 별이 하나가 아니라 두개라는 사실을 알게 되었죠."

 

이러한 관측 사실은 중심에 존재하는 이중별계가 괴상한 모양의 성운들을 만들어낸다는 점을 설명해 줄 수 있을 것으로 보이는데,

여기에는 앞으로 도래할, 보다 흥미로운 점이 또 존재하고 있었다.

 

또다른 연구논문의 저자이자 카나리천체물리연구소(the Instituto de Astrofisica de Canarias (Tenerife, IAC))의 연구원인 로마노 코라디(Romano Corradi)의 소감은 다음과 같다.
"카나리 제도의 망원경들을 이용한 추가 관측 결과는 두 별의 공전궤도와 이를 통한 두 개 별의 질량 및 상호간의 거리을 추측할 수 있게 해주었습니다. 그리고 이로부터 정말 놀라운 점이 발견됐죠."

 

연구 결과는 각 별의 질량이 태양보다 약간만 적은 상태이고, 서로에 대해 4시간을 주기로 공전한다는 점을 알려주었다.

아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 이 별들은 서로에 대해 중력영향을 행사하기 충분할만큼 가까워서, 중력파의 복사로 인해 서로 나선형을 그리면서 점점 가까워지게 되고, 향후 7억년이내의 하나의 별로 합쳐지게 될 것으로 예측되었다.
그 결과 자체 붕괴를 지탱할 수 없는 하나의 무거운 별로 합쳐지게 되고 따라서 곧이어 초신성 폭발을 일으키게 될 것이다.

 

이번 논문의 공동저자이자 관측데이터가 획득될 당시 ESO 특별회원이었던 데이비드 존스의 설명은 다음과 같다.
"지금까지 두 개 백색왜성간의 충돌에 따른 Ia 유형 초신성의 탄생은 순전히 이론상으로만 존재하는 것이었습니다.
 헤니츠 2-428 은 이러한 이론이 실제 존재한다는 것을 증명해 준 것입니다."

 

산텐더-가르시아의 결론은 다음과 같다.
"이것은 극단적인 수수께끼에 휩싸여 있는 이중별입니다.
 이 한쌍의 백색왜성은 천문학적 거리를 측정하는데 사용되거나 암흑에너지에 의해 가속되는 우주의 팽창을 발견하는데 핵심역할을 수행하는

 Ia 유형의 초신성을 연구하는데 지대한 영항을 끼치게 될 것입니다."

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope
표1> 이 표에는 독수리자리가 담겨 있다.
표에 보이는 대부분의 별들은 청명하고 검은 하늘 아래에서라면 모두 육안으로 볼 수 있는 별들이다.
행성상성운 헤니츠 2-428 의 위치가 붉은색 원으로 표시되어 있다.
이 천체는 작은 천체망원경으로는 볼 수 없는 천체이다.

 

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2
사진2> 이 사진은 행성상성운 헤니츠 2-428 과 그 주변의 모습을 보여주고 있다.
사진 정 중앙에 미세한 곡선형태를 띠고 있는 천체가 헤니츠 2-428 이며 그 주위는 우리 은하 미리내에 속하는 수많은 희미한 별들로 채워져 있다.
이 사진은 DSS2에 의해 제작된 사진이다.

 

각주
[1] 찬드라세카르 한계(The Chandrasekhar limit)는 백색왜성이 중력붕괴를 버텨낼 수 있는 최대한의 질량을 말한다.
찬드라세카르 한계는 태양질량의 1.4배이다.

 

[2] Ia 유형의 초신성 폭발은 동반성으로부터 물질이 강착되거나 또다른 백색왜성과의 충돌 등을 통해 얻은 물질로 인해 백색왜성의 전체 질량이

찬드라세카르 한계를 벗어날 때 발생한다.

찬드라세카르 한계를 넘어서게 되면 별은 더 이상 스스로를 지탱할 능력을 상실하고 수축을 시작하게 된다. 
이러한 상황은 온도의 상승과 열핵반응을 촉발시켜 별을 산산조각내게 된다.

 

[3] 행성상 성운은 행성과는 아무런 관련이 없는 천체이다.
이 이름은 18세기 작은 망원경을 통해 관측된 이 천체들의 모습이 멀리 떨어진 행성처럼 둥근 원반의 모습을 보였기 때문에 붙여진 이름이다.

 

Credit:ESO/L. Calcada
동영상> 헤니츠 2-428의 초신성 폭발 시뮬레이션 

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 2월 9일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1505/

 

참고 : 헤니츠 2-428을 비롯한 다양한 성운에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346974 
      
참고 : 초신성에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

 

원문>

Astronomers using ESO facilities in combination with telescopes in the Canary Islands have identified two surprisingly massive stars at the heart of the planetary nebula Henize 2-428. As they orbit each other the two stars are expected to slowly get closer and closer, and when they merge, about 700 million years from now, they will contain enough material to ignite a vast supernova explosion. The results will appear online in the journal Nature on 9 February 2015.

The team of astronomers, led by Miguel Santander-García (Observatorio Astronómico Nacional, Alcalá de Henares, Spain; Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), Madrid, Spain), has discovered a close pair of white dwarf stars — tiny, extremely dense stellar remnants — that have a total mass of about 1.8 times that of the Sun. This is the most massive such pair yet found [1] and when these two stars merge in the future they will create a runaway thermonuclear explosion leading to a Type Ia supernova [2].

The team who found this massive pair actually set out to try to solve a different problem. They wanted to find out how some stars produce such strangely shaped and asymmetric nebulae late in their lives. one of the objects they studied was the unusual planetary nebula [3] known as Henize 2-428.

“When we looked at this object’s central star with ESO’s Very Large Telescope, we found not just one but a pair of stars at the heart of this strangely lopsided glowing cloud,” says coauthor Henri Boffin from ESO.

This supports the theory that double central stars may explain the odd shapes of some of these nebulae, but an even more interesting result was to come.

"Further observations made with telescopes in the Canary Islands allowed us to determine the orbit of the two stars and deduce both the masses of the two stars and their separation. This was when the biggest surprise was revealed,"  reports Romano Corradi, another of the study's authors and researcher at the Instituto de Astrofísica de Canarias (Tenerife, IAC).

They found that each of the stars has a mass slightly less than that of the Sun and that they orbit each other every four hours. They are sufficiently close to one another that, according to the Einstein’s theory of general relativity, they will grow closer and closer, spiralling in due to the emission of gravitational waves, before eventually merging into a single star within the next 700 million years.

The resulting star will be so massive that nothing can then prevent it from collapsing in on itself and subsequently exploding as a supernova. "Until now, the formation of supernovae Type Ia by the merging of two white dwarfs was purely theoretical," explains David Jones, coauthor of the article and ESO Fellow at the time the data were obtained. “The pair of stars in Henize 2-428 is the real thing!”

"It's an extremely enigmatic system," concludes Santander-García. "It will have important repercussions for the study of supernovae Type Ia, which are widely used to measure astronomical distances and were key to the discovery that the expansion of the Universe is accelerating due to dark energy".

Notes

[1] The Chandrasekhar limit is the greatest mass that a white dwarf star can have and support itself against gravitational collapse. It has a value of about 1.4 times the mass of the Sun.

[2] Type Ia supernovae occur when a white dwarf star acquires extra mass — either by accretion from a stellar companion or by merging with another white dwarf. once the mass exceeds the Chandrasekhar limit the star loses its ability to support itself and starts to contract. This increases the temperature and a runaway nuclear reaction occurs and blows the star to pieces.

[3] Planetary nebulae have nothing to do with planets. The name arose in the eighteenth century as some of these objects resembled the discs of the distant planets when seen through small telescopes.

More information

This research was presented in a paper entitled “The double-degenerate, super-Chandrasekhar nucleus of the planetary nebula Henize 2-428” by M. Santander-García et al., to appear online in the journal Nature on 9 February 2015.

The team is composed of M. Santander-García (Observatorio Astronómico Nacional, Alcalá de Henares, Spain; Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), Madrid, Spain), P. Rodríguez-Gil (Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Tenerife, Spain [IAC]; Universidad de La Laguna, Tenerife, Spain), R. L. M. Corradi (IAC; Universidad de La Laguna), D. Jones (IAC; Universidad de La Laguna), B. Miszalski (South African Astronomical Observatory, Observatory, South Africa [SAAO]), H. M. J. Boffin (ESO, Santiago, Chile), M. M. Rubio-Díez (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Torrejón de Ardoz, Spain) and M. M. Kotze (SAAO).

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 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. 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 a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper in Nature
• Photos of the VLT

Contacts

Miguel Santander-García
Observatorio Astronómico Nacional
Alcalá de Henares, Spain
Tel: +34 670243627
Email: m.santander@oan.es

Henri Boffin
ESO
Santiago, Chile
Tel: +49 89 3200 3126
Email: hboffin@eso.org

Richard Hook
ESO education and Public Outreach Department
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org