큰부리새자리 47 에서 발견한 별들의 탈출

Credit: NASA, ESA, and H. Richer and J. Heyl (University of British Columbia, Vancouver, Canada) Acknowledgment: J. Mack (STScI) and G. Piotto (University of Padova, Italy)

 

사진 1> 허블우주망원경이 담아낸 큰부리새자리 47 구상별무리의 심장부에는 20만개의 별들이 빛을 뿜어내고 있다.

별들이 빽빽하게 몰려있는 중심부를 한정하고 있는 초록색 네모상자 안에서 허블우주망원경은 구상별무리의 외곽으로 4천만 년에 걸친 여정을 시작한 어린 백색왜성들의 모습을 볼 수 있었다. 

백색난쟁이별은 빠르게 질량을 잃고 급속히 식어들어 더 이상 핵융합이 발생하지 않는 별의 잔해이다.

맹렬하게 타오르던 별들이 나이가 들고 질량을 잃으면 이들의 공전궤도는 별들이 빽빽하게 몰려 있는 별무리의 중심으로부터 바깥쪽으로 팽창을 시작한다.

이러한 움직임은 별무리 내부에서 발생하는 별들 간의 중력다툼에 의해 야기된다.

허블우주망원경이 가시광선으로 촬영한 오른쪽 상단 사진에 보이듯이 이 백색난쟁이별들은 가시광선으로는 볼 수 없을 정도로 희미하다.

그러나 이 별들은 극단의 온도로 인하여 자외선에서는 대단히 밝은 빛을 쏟아내며 그 모습이 허블 WFC3 로 촬영한 하단 우측 사진에 나타나 있다.

사진에서 초록색 원은 가장 밝은 빛을 뿜어내는 어린 백색난쟁이별들을 표시한 것이다.

천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 큰부리새자리 방향으로 16,700 광년 떨어진 큰부리새자리 47 구상별무리에서 3천 개의 백색난쟁이별을 분석하였다.

허블우주망원경을 이용한 관측 전까지 천문학자들은 이러한 작용이 일어나는 드라마틱한 컨베이어벨트를 확실하게 목격하지 못했었다.

WFC3을 이용한 관측은 2012년 11월에서 2013년 12월 사이에 이루어졌다.

왼쪽 사진과 우측 상단 사진은 허블 ACS와 WFC3을 이용하여 관측한 데이터를 합친 것이다.

 

 

큰부리새자리 47 에서 발견한 별들의 탈출

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 고대의 별무리 중심으로부터 별들이 덜 몰려있는 외곽으로 이동을 시작한 갓 태어난 백색난쟁이별들을 처음으로 포착해냈다.
이 별들은 4천만년이라는 장구한 시간에 걸쳐 천천히 이동하게 된다.

 

백색난쟁이별은 빠르게 질량을 잃고 급속히 식어들어 더 이상 핵융합이 발생하지 않는 별의 잔해이다.

 

맹렬하게 타오르던 별들이 나이가 들고 질량을 잃으면 이들의 공전궤도는 별들이 빽빽하게 몰려 있는 별무리의 중심으로부터 바깥쪽으로 팽창을 시작한다.

이러한 움직임은 별무리 내부에서 발생하는 별들 간의 중력다툼에 의해 야기된다.

구상별무리에서는 질량에 따라 별들이 솎아진다.

이곳은 보다 질량이 낮은 별들이 보다 질량이 큰 별들로부터 운동량을 빼앗는 중력 당구장의 법칙에 의해 지배를 받고 있다.

 

그 결과 보다 무거운 별들은 천천히 별무리 중심으로 가라앉고 보다 가벼운 별들은 속도를 높이며 가장 자리를 향해 별무리를 가로지르게 된다.

이러한 과정은 "질량 분리(mass segregation)"라고 알려져 있는데, 허블우주망원경을 이용한 관측 전까지 천문학자들은 이러한 작용이 일어나는 드라마틱한 컨베이어벨트를 확실하게 목격하지 못했었다.

 

천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 미리내에 자리잡고 있는, 수십만개 별들이 빽빽하게 몰려 있는 구상별무리인 큰부리새자리 47 (47 Tucanae)에서 백색난쟁이별의 탈출 양상을 관측했다. 
 
이 구상별무리는 남반구의 별자리인 큰부리새자리 방향으로 16,700 광년 거리에 위치하고 있다. 

 

Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration Acknowledgment: J. Mack (STScI) and G. Piotto (University of Padova, Italy)

 

사진 2> 큰부리새자리 47 (47 Tuc, 47 Tucanae, NGC 104 )

 

 

이번 논문의 제 1 저자인 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 제레미 하일(Jeremy Heyl)의 설명은 다음과 같다.
"우리가 마지막으로 봤던 장면은 이렇습니다. 백색난쟁이별은 이미 스스로 추려져서 자신의 질량에 걸맞는 외곽부에서 궤도를 유지하고 있었죠.

그런데 별무리 내에 존재하는 어린 백색난쟁이별들 중 4분의 1에 달하는 별들을 조사한 이번 연구에서는 질량에 따라 스스로 분리되어 외곽쪽으로 움직이는 과정에 있는 별들을 잡아낼 수 있었습니다.

전체 과정은 그리 오래걸리지 않습니다. 이 백색난쟁이별들이 자신들의 새로운 집인 변두리에 도착할 때까지는 고작 수천만년밖에 걸리지 않을 겁니다.
100억년에 달하는 구상별무리의 나이에 비하면 아주 짧은 순간이죠"

 

연구팀의 논문은 5월 1일 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

연구팀의 일원인 브리티시 컬럼비아 대학의 하비 리처(Harvey Richer)는 이러한 양상이 이전에는 목격된 바가 없으며, 별들이 삶의 막바지 단계에 다다랐을 때 어떻게 그리고 언제 질량을 잃어버리는지에 대한 세부 내용을 구성하는데 있어 도전적인 과제가 된다고 말했다.

 

천문학자들은 허블우주망원경의 자외선 고해상도 관측 능력을 갖춘 WFC3를 이용하여 다양한 연령과 공전궤도를 가지며 두 세대로 구분되는 3천 개의 백색난쟁이별을 조사했다.

이중 한 그룹의 연령은 6백만년 정도이며 이제 막 여행을 시작했다.

또다른 그룹을 구성하는 백색난쟁이별들의 연령은 1억살 정도이며 이들은 이미 구상별무리 중심으로부터 대략 1.5광년 떨어진 외곽에 새로운 둥지를 틀은 상태이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and H. Richer and J. Heyl (University of British Columbia, Vancouver, Canada) Acknowledgment: J. Mack (STScI) and G. Piotto (University of Padova, Italy)

 

사진 3> 자외선으로 담은 큰부리새자리 47

 

 

Credit: NASA, ESA, and H. Richer and J. Heyl (University of British Columbia, Vancouver, Canada) Acknowledgment: J. Mack (STScI) and G. Piotto (University of Padova, Italy)

 

사진 4> 자외선으로 담은 큰부리새자리 47과 백색난쟁이별의 표시

이러한 관측은 오직 허블우주망원경에 의해서만 가능한데, 그 이유는 지구의 대기가 자외선을 차단하여 지상에 있는 망원경들로서는 자외선을 관측할 수 없기 때문이다.

 

천문학자들은 백색난쟁이별의 연령을 별의 온도에 대한 정보를 담고 있는 색깔을 분석함으로써 추정하게 된다.

가장 뜨겁게 빛나는 난쟁이별은 자외선에서 맹렬한 빛을 뿜어낸다.

 

난쟁이별들은 같은 지역에서 공전중인 무거운 별들과의 중력 상호작용으로 인해 혼란으로 가득차 있는 구상별무리의 중심으로부터 밀려나간다.

구상별무리의 별들은 그 무게에 의해 솎아지면서 보다 무거운 별들이 중심으로 가라앉게 된다.

이렇게 이동을 하는 별로서 별무리내에서 가장 무거운 축에 속하는 별들의 무게는, 백색난쟁이별로서 화염이 잦아들기 전상태에서 대략 태양과 비슷한 정도이다.

이보다 더 무거운 별들은 더 오랫동안 빛을 뿜어낸다.

 

그러나 이렇게 이동하는 백색난쟁이별이 서둘러 그 자리를 뜨는 것은 아니다.

이 별들의 공전궤도는 도시를 가로지르는 자동차의 평균 속도와 비슷한 시속 50킬로미터 정도의 속도로 팽창한다.

그리고 자신들의 질량에 걸맞는 지역에 도달할 때까지 이러한 속도를 대략 4천만년동안 유지하게 될 것이다.

 

비록 천문학자들이 이러한 이동 유형을 목격한 것은 그다지 놀라운 일은 아니지만 이제 막 여행 대열에 합류한 가장 어린 백색왜성의 존재에는 당황해하고 있다.

이번 발견은 별들이 질량의 상당부분을 분출해 내는 때가 이전에 생각했던 것보다 별의 수명에서 더 뒷쪽에서 이뤄진다는 것을 시사하는 것일지도 모른다.
백색왜성으로 진화하기 1억년 정도 전쯤에 별들은 몸집이 부풀어 오르며 적색거성이 된다.

 

많은 천문학자들은 별들이 질량의 상당수를 잃는 때는 별들이 우주공간으로 밀쳐져 나가는 도중일 것으로 생각하고 있다.

그런데 허블우주망원경의 관측을 통해 이 별들이 완전히 연료를 소진하여 백색난쟁이별이 되기 고작 1천만년 전에 질량의 40~50%정도를 버렸다는 점을 알게되었다.

 

리처의 설명은 다음과 같다.
"별이 질량의 상당부분을 쏟아내는 시점이 이렇게 늦다는 것은 이들 백색난쟁이별들이 질량의 상당부를 잃은 시점이 백색난쟁이별로 진화하기 바로 전임을 지지하는 증거입니다.
바로 그것이 별무리 중심으로부터 천천히 움직이며 빠져나오는 백색난쟁이별들의 모습을  여전히 우리가 볼 수 있는 이유이기도 합니다.
질량을 잃고 바로 뒤, 이 별들은 중심으로부터 밀려나게 된 것이죠.
만약 이 별들이 이보다 더 일찍 자신 질량의 상당부분을 떨어냈다면 우리는 가장 어린 백색난쟁이별과 연령이 1억년에 달하는 늙은 별들 간의 이와 같은 드라마틱한 효과를 보지 못했을 것입니다." 
 

비록 백색난쟁이별은 별로서 새로운 빛을 뿜어내는데 필요한 수소연료는 모두 써버린 상태이지만 이 별들의 화석들은 이 오래된 별무리 내에서 가장 밝은 별들의 일원을 이루는데 이는 완전히 드러난 뜨거운 핵이 자외선에서 맹렬한 빛을 쏟아내고 있기 때문이다.

리처의 설명은 다음과 같다.
"백색난쟁이별이 형성될 때 이들은 핵속에 상당한 열기를 담고 있습니다.
백색난쟁이별을 우리가 볼 수 있는 이유는 백색난쟁이별이 전 생애에 걸쳐서 자신들이 보유하고 있는 열에너지를 서서히 우주공간으로 방출시키기 때문입니다.
하지만 이들은 더 이상 새로운 핵에너지원이 존재하지는 않기 때문에 시간이 지날수록 점점 더 차가와지고 점점 더 흐려지게 되죠."
 
1.5광년 너비에 별들이 빽빽하게 몰려있는 중심지역에서 중력상호작용의 폭격을 맞으며 백색난쟁이별이 된 이후 여행을 시작한 별들은 외곽으로 이동할수록 별들의 밀도가 감소하면서 점점 중력상호작용에서 벗어나게 된다.

 

하일의 설명은 다음과 같다.
"백색난쟁이별들의 나이가 3천만년에서 4천만년 정도 되었을 때, 그리고 약 1억살 정도까지 자라는 동안에 이 별들은 수많은 사건들을 겪게 됩니다.
 그리고 나서 더 시간이 지나면 백색난쟁이별은 여전히 진화를 계속하고 있지만 드라마틱한 일은 줄어들게 되죠."

 

큰부리새자리 47 구상별무리는 백색난쟁이별의 질량 분리를 연구하는데 있어 최적의 대상이다.
왜냐하면 이 구상별무리는 가까이 위치하고 있을 뿐 아니라 허블우주망원경이 충분히 분해할 수 있는 상당한 수의 빽빽하게 몰린 중심 별들을 지니고 있기 때문이다.

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

 

표 1> 이 표는 큰부리새자리 47 내부에서  백색난쟁이별의 분포가 어떠한지를 묘사하고 있다.

가장 뜨겁고 그래서 파란색으로 빛나는 가장 어린 축에 드는 백색난쟁이별들의 대부분은 무거운 별들이 몰려있는 별무리의 중심부에 자리잡고 있다.

붕괴를 겪고 백색난쟁이별이 되기 바로 직전에 별들은 질량의 상당 부분을 내던지게 된다.

이제 날씬해진 백색난쟁이별들은 중심에서 보다 무거운 별들과 중력상호작용을 겪게 된다.

이러한 중력충돌을 통해 백색난쟁이별들은 속도를 올리기에 충분한만큼의 에너지를 무거운 별들로부터 얻게 되고 외곽을 향해 천천히 움직이게 된다.

이러한 여정이 지속되는 동안 백색난쟁이별은 나이를 먹고 식어가게 되는데 이 표에는 주황색 점으로 표시되어 있다.

결국 백색난쟁이별들은 오래되고 차가운, 붉은 빛의 백색난쟁이별들이 자리잡고 있는 별무리의 외곽에 둥지를 틀게 된다.

 

출처 : 허블사이트 2015년 5월 14일 발표 뉴스
          http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/16

 

참고 : 백색난쟁이별을 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346972
         
참고 : 큰부리새자리 47을 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-16

Hubble Catches a Stellar Exodus in Action

Using NASA's Hubble Space Telescope, astronomers have captured for the first time snapshots of fledgling white dwarf stars beginning their slow-paced, 40-million-year migration from the crowded center of an ancient star cluster to the less populated suburbs.

White dwarfs are the burned-out relics of stars that rapidly lose mass, cool down, and shut off their nuclear furnaces. As these glowing carcasses age and shed weight, their orbits begin to expand outward from the star cluster's packed downtown. This migration is caused by a gravitational tussle among stars inside the cluster. Globular star clusters sort out stars according to their mass, governed by a gravitational billiard-ball game where lower mass stars rob momentum from more massive stars. The result is that heavier stars slow down and sink to the cluster’s core, while lighter stars pick up speed and move across the cluster to the edge. This process is known as "mass segregation." Until these Hubble observations, astronomers had never definitively seen the dynamical conveyor belt in action.

Astronomers used Hubble to watch the white-dwarf exodus in the globular star cluster 47 Tucanae, a dense swarm of hundreds of thousands of stars in our Milky Way galaxy. The cluster resides 16,700 light-years away in the southern constellation Tucana.

"We've seen the final picture before: white dwarfs that have already sorted themselves out and are orbiting in a location outside the core that is appropriate for their mass," explained Jeremy Heyl of the University of British Columbia (UBC), Vancouver, Canada, first author on the science paper. The team's results appeared in the May 1 issue of The Astrophysical Journal.

"But in this study, which comprises about a quarter of all the young white dwarfs in the cluster, we're actually catching the stars in the process of moving outward and segregating themselves according to mass," Heyl said. "The entire process doesn't take very long, only a few hundreds of millions of years, out of the 10-billion-year age of the cluster, for the white dwarfs to reach their new home in the outer suburbs."

"This result hasn't been seen before, and it challenges some ideas about some of the details of how and when a star loses its mass near the end of its life," added team member Harvey Richer of UBC.

Using the ultraviolet-light capabilities of Hubble's sharp-eyed Wide Field Camera 3, the astronomers examined 3,000 white dwarfs, tracing two populations with diverse ages and orbits. one grouping was 6 million years old and had just begun their journey. Another was around 100 million years old and had already arrived at its new homestead far away from the center, roughly 1.5 light-years, or nearly 9 trillion miles, away.

Only Hubble can detect these stars because ultraviolet light is blocked by Earth's atmosphere and therefore doesn't reach ground-based telescopes. The astronomers estimated the white dwarfs' ages by analyzing their colors, which gives them the stars' temperatures. The hottest dwarfs shine fiercely in ultraviolet light.

The dwarfs were tossed out of the rough-and-tumble cluster center due to gravitational interactions with heftier stars orbiting the region. Stars in globular clusters sort themselves out by weight, with the heavier stars sinking to the middle. Before flaming out as white dwarfs, the migrating stars were among the most massive in the cluster, weighing roughly as much as our Sun. The more massive stars burned out long ago.

The migrating white dwarfs, however, are not in a hurry to leave. Their orbits expand outward at about 30 miles an hour, roughly the average speed of a car traveling in the city. The dead stars will continue this pace for about 40 million years, until they reach a location that is more appropriate for their mass.

Although the astronomers were not surprised to see the migration, they were puzzled to find that the youngest white dwarfs were just embarking on their journey. This discovery may be evidence that the stars shed much of their mass at a later stage in their lives than once thought.

About 100 million years before stars evolve into white dwarfs, they swell up and become red giant stars. Many astronomers thought that stars lose most of their mass during this phase by blowing it off into space. But the Hubble observations reveal that the stars actually dump 40 percent to 50 percent of their bulk just 10 million years before completely burning out as white dwarfs.

"This late start is evidence that these white dwarfs are losing a large amount of mass just before they become white dwarfs and not during the earlier red giant phase, as most astronomers had thought," said Richer. "That's why we are seeing stars still in the process of moving slowly away from the center of the cluster. It's only after they lose their mass that they get gravitationally pushed out of the core. If the stars had shed most of their weight earlier in their lives, we wouldn't see such a dramatic effect between the youngest white dwarfs and the older ones that are 100 million years old."

Although the white dwarfs have exhausted the hydrogen fuel that makes them shine as stars, these stellar relics are among the brightest stars in this primordial cluster because their brilliant hot cores have been exposed, which are luminous largely in ultraviolet light. "When a white dwarf forms, they've got all this stored-up heat in their cores, and the reason we can see a white dwarf is because over time they radiate their stored thermal energy slowly into space," Richer explained. "They're getting cooler and less luminous as time goes on because they have no nuclear sources of energy."

After making it through the gauntlet of gravitational interactions within the crowded 1.5-light-year-wide core, the traveling white dwarfs encounter few interactions as they migrate outward, because the density of stars decreases. "A lot of action happens when they're 30 million to 40 million years old, and continues up to around 100 million years, and then as they get older the white dwarfs still evolve but less dramatically," Heyl said.

The 47 Tucanae cluster is an ideal place to study the mass segregation of white dwarfs because it is nearby and has a significant number of centrally concentrated stars that can be resolved by Hubble's crisp vision.

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410-338-4493 / 410-338-4514
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University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada
604-822-0995
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