황소자리 V471의 수수께끼 : 잃어버린 왜성

 

Credit:ESO/J. Girard

 

사진 1> ESO VLT의 3번 망원경에 장착된 SPHERE의 모습.
사진에 검은 박스로 보이는 것이 SPHERE로서 망원경의 한쪽 측면 플레폼 위에 장착되어 있다.

SPHERE : 분광광도계의 높은 대비를 이용한 외계행성 연구 장비, the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch instrument

 

황소자리 V471의 수수께끼 : 잃어버린 왜성

 

ESO 초거대망원경(Very Large Telescope)에 장착되어 있는 SPHERE 는 독특한 이중성계 황소자리 V471 (V471 Taur) 주위를 돌고 있을 것으로 예상되는 갈색왜성을 탐사하는데 사용되곤 하였다.

SPHERE는 이 독특한 천체와 그 주변에 대한 지금까지의 관측 데이터 중 최상의 데이터를 제공해 주었지만 이곳에서 아무것도 발견되지 않았다.

확정적으로 예견되었던 갈색왜성이 존재하지 않는다는 놀라운 사실은 황소자리 V471의 괴상한 움직임을 설명해내려던 전통적인 해설이 잘못되었음을 의미한다.

이 예상치 못한 결과가 SPHERE를 이용한 첫번째 과학논문으로 제출되었다.

 

몇몇 짝별들은 서로 약간씩 다른 질량을 갖는 두 개의 보통 별들로 구성된다.

약간 더 많은 질량을 가진 별이 점점 나이를 먹고 팽창을 계속하여 적색거성으로 부풀어오르면 물질은 또 다른 별로 흘러들어가게 되고 두 개 별은 모두 거대한 가스상 표피를 가진 별이 된다.

이 가스구름들이 퍼져나가며 두 개의 별은 좀더 가까이 다가서면서 하나는 백색왜성, 그리고 다른 하나는 일반 별인 상태로 매우 촘촘한 공전궤도를 가진 쌍성계를 형성하게 된다.[1]

 

이와 같은 짝별 중 하나가 황소자리 V471 이다.[2]

이 별은 황소자리 히아데스 성단의 구성원이며 그 연령은 대략 6억살이고, 지구로부터 163광년 거리에 위치하고 있다.

이 한쌍의 별은 서로에 대해 매우 가까운 거리를 유지하고 있으며 12시간을 주기로 공전하고 있다.

한번 공전할 때마다 각 별은 상대 별의 전면을 가로지르면서 두 번의 식 현상을 만들어내고 이것이 지구에서 관측했을 때, 주기적인 밝기변화를 보이는 별로 보이게 만드는 것이다.

 

칠레 발파라이소 대학의 아담 하디(Adam Hardy)가 이끄는 연구팀은 ESO 신기술 망원경(New Technology Telescope)에 장착된 ULTRACAM 시스템을 처음으로 활용하여 이 쌍성계의 밝기 변화를 매우 정확하게 측정해냈다.

식현상이 벌어지는 시간을 측정한 결과는 2초 이상 개선된 정확성을 보였는데, 이는 이전 개선치에 비교해서 엄청난 개선을 이룩한 것이다.

 

그러나 식현상이 일어나는 시간 간격은일정하지 않았다.
그런데 한쌍의 별 주위를 공전하는 갈색왜성을 상정하여 이 갈색왜성의 중력이 짝별에 골고루 영향을 미치고 있다고 가정하면 식현상이 발생하는 시간간격을 정확하게 설명해낼 수 있었다.

연구진은 또한 이곳에 두번째 소규모 동반성이 존재할 가능성이 있다는 것도 발견하였다.

 

하지만 지금까지 엄청나게 밝은 별 가까이 위치하고 있는 희미한 갈색왜성을 실제로 촬영해낸다는 것은 불가능한 일이었다.

그러나 ESO 초거대망원경에 새로 장착된 SPHERE의 강력한 탐사 기능을 활용하면 갈색왜성이 존재할 것으로 예견된 그 위치에서 사상 처음으로 정확히 그 존재를 찾아볼 수 있게 되었다.

그러나 연구팀은 아무것도 발견할 수 없었고, SHPERE가 제공하는 고품질의 사진은 이곳에 아무것도 존재하지 않는다는 것을 간단하게 밝혀주었다.[3]

 

아담 하디의 소감은 다음과 같다.
"수많은 논문들이 이곳에 또 다른 별이 있을 것임을 예견하고 있었죠, 그러나 결과는 이러한 가설에 불리한 증거들 뿐입니다." 

 

만약 이곳에 제 3의 천체가 존재하지 않는다면 이 짝별의 공전상에 나타나는 특이한 변화는 무엇때문에 발생하는 것일까?

수많은 가설들이 제안되었고, 이들 중 또 많은 가설들은 이미 고려대상에서 제외되었다.
가능성 있는 가설 하나는 짝별 중 좀더 큰 별에서 나타나는 자기장의 변화가 공전하는 별들의 움직임에 변화를 나타낸다고 설명하고 있다.[4]

이러한 자기장의 변화는 우리 태양에서 보이는 소규모의 자기장 변화와 유사한 변화이다.  

 

아담 하디의 결론은 다음과 같다.
"이에 대한 연구에는 또 더 많은 시간이 소요될 것입니다만 SPHERE와 같은 새로운 강력한 관측기기의 출현으로 연구가 가능하게 되었죠.  
이번 경우는 과학적 작업이 어떻게 진행되는지를 알려주는 예라 할 수 있습니다.
새로운 기술이 적용된 관측은 가설을 확정해 줄 수도, 그리고 이번 경우처럼 이전의 아이디어를 폐기할 수도 있게 해주죠.
이번 경우는 놀라운 관측 장비와 함께 새로운 관측의 시대가 시작되는 것을 알려주는 멋진 사례입니다."  

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 표는 독특한 짝별 황소자리 V471의 위치를 보여주고 있다.

표에 그려진 별들은 모두 어두운 밤하늘에서라면 육안으로 볼 수 있는 별들이다.

황소자리 V471은 소규모 망원경으로도 쉽게 찾아볼 수 있지만 알아보기 어려운 희미한 별로서 나타난다.

이 별은 밝은 히아데스 성단의 외곽에 위치하고 있다.

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2

 

사진2> 이 사진은 황소자리 V471과 그 주변의 모습을 보여주고 있다.

황소자리 V471은 사진 한 복판에 중간 정도 밝기로 빛나는 별로서 그리 눈길을 끌지는 않는 별이다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 사진이다.

 

각주

[1] 이와 같은 쌍성은 표피공유 후 쌍성 (post-common-envelope binaries)으로 알려져 있다.

 

[2] 이 이름은 이 별이 471번째로 발견된 변광성(또는 좀더 면밀한 조사 결과 짝별임이 밝혀진 별)이며 황소자리에서 식별된 별임을 의미한다.
      

[3] SHPHERE의 영상은 너무나 정교하여 갈색왜성이 중심 별보다 7만배나 더 희미하고, 고작 0.26각초밖에 떨어져 있지 않는다 하더라도 그 존재를 찾아낼 수 있을 정도였다. 
하물며 이론상 예견된 갈색왜성의 예정 밝기는 이보다 훨씬 높은 수준이었다.

 

[4] 이러한 효과는 애플게이트 메커니즘(Applegate mechanism)이라 부르며 이 효과는 지구에서 바라봤을 때 짝별의 겉보기 밝기에 변화를 야기시키는  주기적인 별의 형태 변화를 야기한다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 2월 18일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1506/

        

참고 : 황소자리 V471을 비롯한 각종 별에 대한 포스트는 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

eso1506 — Science Release

The Strange Case of the Missing Dwarf

New SPHERE instrument shows its power

18 February 2015

The new SPHERE instrument on ESO’s Very Large Telescope has been used to search for a brown dwarf expected to be orbiting the unusual double star V471 Tauri. SPHERE has given astronomers the best look so far at the surroundings of this intriguing object and they found — nothing. The surprising absence of this confidently predicted brown dwarf means that the conventional explanation for the odd behaviour of V471 Tauri is wrong. This unexpected result is described in the first science paper based on observations from SPHERE.

Some pairs of stars consist of two normal stars with slightly different masses. When the star of slightly higher mass ages and expands to become a red giant, material is transferred to other star and ends up surrounding both stars in a huge gaseous envelope. When this cloud disperses the two move closer together and form a very tight pair with one white dwarf, and one more normal star [1].

One such stellar pair is called V471 Tauri [2]. It is a member of the Hyades star cluster in the constellation of Taurus and is estimated to be around 600 million years old and about 163 light-years from Earth. The two stars are very close and orbit each other every 12 hours. Twice per orbit one star passes in front of the other — which leads to regular changes in the brightness of the pair observed from Earth as they eclipse each other.

A team of astronomers led by Adam Hardy (Universidad Valparaíso, Valparaíso, Chile) first used the ULTRACAM system on ESO’s New Technology Telescope to measure these brightness changes very precisely. The times of the eclipses were measured with an accuracy of better than two seconds — a big improvement on earlier measurements.

The eclipse timings were not regular, but could be explained well by assuming that there was a brown dwarf orbiting both stars whose gravitational pull was disturbing the orbits of the stars. They also found hints that there might be a second small companion object.

Up to now however, it has been impossible to actually image a faint brown dwarf so close to much brighter stars. But the power of the newly installed SPHERE instrument on ESO’s Very Large Telescope allowed the team to look for the first time exactly where the brown dwarf companion was expected to be. But they saw nothing, even though the very high quality images from SPHERE should have easily revealed it [3].

“There are many papers suggesting the existence of such circumbinary objects, but the results here provide damaging evidence against this hypothesis,” remarks Adam Hardy.

If there is no orbiting object then what is causing the odd changes to the orbit of the binary? Several theories have been proposed, and, while some of these have already been ruled out, it is possible that the effects are caused by magnetic field variations in the larger of the two stars [4], somewhat similar to the smaller changes seen in the Sun.

“A study such as this has been necessary for many years, but has only become possible with the advent of powerful new instruments such as SPHERE. This is how science works: observations with new technology can either confirm, or as in this case disprove, earlier ideas. This is an excellent way to start the observational life of this amazing instrument,” concludes Adam Hardy.

Notes

[1] Such pairs are known as post-common-envelope binaries.

[2] This name means that the object is the 471st variable star (or as closer analysis shows, pair of stars) to be identified in the constellation of Taurus.

[3] The SPHERE images are so accurate that they would have been able to reveal a companion such as a brown dwarf that is 70 000 times fainter than the central star, and only 0.26 arcseconds away from it. The expected brown dwarf companion in this case was predicted to be much brighter.

[4] This effect is called the Applegate mechanism and results in regular changes in the shape of the star, which can lead to changes in the apparent brightness of the double star seen from Earth.

More information

This research was presented in a paper entitled “The First Science Results from SPHERE: Disproving the Predicted Brown Dwarf around V471 Tau” by A. Hardy et al., to appear in the Astrophysical Journal Letters on 18 February 2015.

The team is composed of A. Hardy (Universidad Valparaíso, Valparaíso, Chile; Millennium Nucleus "Protoplanetary Disks in ALMA Early Science", part of the Millennium Science Initiative Program, Universidad Valparaíso), M.R. Schreiber (Universidad Valparaíso), S.G. Parsons (Universidad Valparaíso), C. Caceres (Universidad Valparaíso), G. Retamales (Universidad Valparaíso), Z. Wahhaj (ESO, Santiago, Chile), D. Mawet (ESO, Santiago, Chile), H. Canovas (Universidad Valparaíso), L. Cieza (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile; Universidad Valparaíso), T.R. Marsh (University of Warwick, Coventry, United Kingdom), M.C.P. Bours (University of Warwick), V.S. Dhillon (University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom) and A. Bayo (Universidad Valparaíso).

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
• Photos of the VLT

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Adam Hardy
Universidad Valparaíso
Valparaíso, Chile
Tel: +56 32 2508457
Email: adam.hardy@postgrado.uv.cl

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Universidad de Valparaíso
Valparaíso, Chile
Tel: +56 32 2399279
Email: matthias@dfa.uv.cl

Richard Hook
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