Nasty 1 : '골치덩어리'라는 별명이 붙은 특이한 별을 관측하다.

 

Artist's Illustration Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

 

그림1> 이 상상화는 울프-레이에 별(Wolf-Rayet star, 그림 중앙)을 감싸고 있는 광활한 가스 원반의 모습을 묘사하고 있다.

울프-레이에 별에 바짝 붙어있는 짝꿍별이 울프-레이에별로부터 가스를 끄집어내고 있는데 그 모습이 두 별 사이를 잇는 밝은 다리처럼 보인다.

이러한 질량 쟁탈전의 결과 무거운 별의 뜨거운 헬륨핵이 드러나게 된다.

그러나 물질들 중 일부는 우주공간으로 흘러나와 거대한 원반을 구성하게 된다.

울프-레이에 별 주위에서 원반구조가 발견되기는 이번이 처음이다.

 

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 미리내에서는 관측된 적이 없는 무겁고 빠르게 늙어가는 별의 행동 양상에 대한 새롭고 놀라운 단서들을 발견해냈다.

 

사실 이 별은 너무나 괴상야릇해서 천문학자들은 이 별의 등재명인 NaSt1 이라는 명칭을 빗대서 골치덩어리 1 (Nasty 1)이라는 별명으로 부르곤 한다.

이 별은 극도로 무거운 질량으로 인해 진화과정에서 순식간에 진화단계를 거치는 유형의 대표적인 별일 것으로 보인다.

 

수십년전 처음으로 발견된 NaSt1 은 우리 태양보다 훨씬 무거운 질량을 가지고 있으면서 빠르게 진화하는 울프-레이에 별로서 식별되었다.

울프-레이에 별은 수소로 가득 채워져 있는 표피부를 빠르게 잃고 헬륨이 타오르고 있는 극도로 밝은 초고온의 핵을 노출시키게 된다.

그런데 NaSt1 은 이러한 전형적인 울프-레이에 별과 다른 모습을 보여주었다.

 

천문학자들은 허블우주 망원경을 이용하여 별의 반대 방향으로 흘러들어가는 두 개의 가스 구체를 볼 수 있을 것으로 기대했었다.
그 모습은 아마도 울프-레이에 별의 후보인 용골자리 에타별(에타 카리네, Eta Carinae)에서 뿜어져나오는 가스와 유사한 모습일 것으로 예측되었다.

 

그러나 허블우주 망원경은 팬케이크 모양의 가스 원반이 별을 둘러싸고 있는 모습을 보여주었다.

이 광활한 원반의 너비는 거의 3조 2천억 킬로미터에 달하며,아마도 새로 생성된 울프-레이에 별의 외곽 가스를 집어삼키고 있는 눈에 보이지 않는 짝꿍별에 의해 형성되었을 것으로 보인다.

 

현재 측정치에 의하면 이 별들을 둘러싸고 있는 구름의 나이는 고작 수천년 정도 수준밖에 되지 않으며 지구로부터의 거리는 3천 광년밖에 되지 않는다.

 

이번 연구의 리더인 캘리포니아 대학의 존 마우어핸(Jon Mauerhan)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이 원반구조를 보고 정말 흥분했습니다. 왜냐하면 이 원반은 이중별 간의 상호작용으로부터 울프-레이에 별이 생성되고 있는 증거일 수 있기 때문이죠.
이러한 과정을 겪고 있는 예는 미리내에서 정말 얼마되지 않습니다. 왜냐하면 이 과정 자체가 너무나 짧은 기간에 일어나기 때문이죠.
아마도 그 시간은 십만년 정도 수준에 지나지 않을 것인데, 이 정도의 시간규모에서도 원반을 발견할 수 있는 시기는 고작 만년 정도에 지나지 않을 것입니다."

 

연구팀의 시나리오에 따르면 무거운 별은 빠르게 진화하여 수소 연료가 고갈되기 시작할 때, 몸집도 부풀어오른다.

외곽을 둘러싸고 있는 수소 표피는 더더욱 느슨하게 풀리면서 근처에 있는 짝꿍별의 중력에 의해 쉽게 벗겨져나갈 수 있는 상태가 된다.

이 와중에 보다 밀도높게 뭉쳐있는 별은 질량을 얻게 되고, 원래 무거운 질량을 가지고 있었던 별은 수소 표피부를 잃게 되면서 헬륨 핵이 노출되어 울프-레이에 별이 되고 만다.

 

울프-레이에 별이 형성되는 또다른 시나리오는 무거운 별이 자신의 수소 표피를 대전입자가 가득한 강력한 별폭풍과 함께 분출하여 만들어진다는 것이다.

짝꿍별이 존재하는 이중별 간의 상호작용에 의한 모델이 천문학자들에게 좀더 매력을 끄는 이유는 무거운 별들의 최소 70퍼센트는 짝꿍별을 거느린 이중별계의 일원이기 때문이다.

하나의 별이 직접적으로 질량을 잃는다는 가정은 미리내에서 아직 덜 진화한 무거운 별들 대비 울프-레이에 별들의 숫자를 설명해내지 못한다.

이번 논문의 공동저자인 아리조나 대학 나단 스미스(Nathan Smith)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 전통적인 별폭풍 이론으로는 우리가 관측한 모든 울프-레이에 별의 형성을 설명하기가 어렵다는 것을 알아냈습니다.
왜냐하면 질량의 손실은 우리가 생각했던것처럼 그다지 강력한 작용이 아니기 때문이죠.
이중별계에서 질량의 교환은 울프-레이에 별이나 이들이 만들어내는 초신성을 설명하는데 있어 필수적인 것처럼 보입니다.
짧은 생애 주기를 지닌 이중별을 발견하는 것은 이러한 과정을 이해하는데 도움을 줄 것입니다."
 

그러나 이 거대한 이중별계에서의 질량 이전 프로세스가 항상 유용한 것은 아니다.

한쪽 별에서 벗겨져나간 물질들 중 일부는 별 들간의 역동적인 중력다툼의 와중에 유실될 수 있으며 이로인해 짝꿍별 주위에 원반을 만들 수 있다.

 

 

마우어핸의 설명은 다음과 같다.
"바로 그것이 NaSt1 에서 발생하고 있는 사건이라고 생각합니다.
우리는 이곳에 구름속에 파묻혀있는 울프-레이에별이 있는 것이라고 생각합니다.
그리고 이 구름은 질량 교환 와중에 생성된 것이라고 생각하고 있죠.
바로 이러한 별들 간의 만연한 질량 쟁탈전이 그 이름에 꼭 걸맞는 골치덩이 1 (Nasty 1)을 만든 것이라 생각합니다."
 

이 별의 공식 등재명인 NaSt1 은 1963년 이 별을 각각 처음으로 발견하여 논문을 제출한 두 명의 천문학자인 제이슨 나소우(Jason Nassau)와 찰스 스페픈슨(Stephenson)의 머릿글자를 따서 만들어진 목록이다.

 

NaSt1 을 관측하는 것은 쉽지 않은 일이었다.

이 이중별계는 너무나 두꺼운 가스와 먼지속에 갇혀있으며 이 먼지와 가스들은 허블우주 망원경의 눈도 막아서고 있다.

그래서 마우어핸의 연구팀은 각 별의 질량과 서로 떨어져 있는 거리, 그리고 짝꿍별로 흘러들어간 물질의 양 따위를 측정할 수 없었다. 

 

NaSt1에 대한 이전의 관측자료들은 원반상의 가스에 대한 정보를 제공해주었다.

예를 들어 원반상의 물질들은 구름 외곽에서 시속 35,200킬로미터의 속도로 움직이고 있는데 이는 유사한 다른 별들에 비해서 느린 속도이다.

이처럼 상대적으로 느린 속도는 시속 수십만 킬로미터의 속도로 움직이는 가스가 존재하는 용골자리 예타별의 폭발적인 분출보다는 훨씬 덜 파괴적인 사건에 의해 물질들이 분출되고 있음을 알려주는 것이다.

NaSt1은 물질을 산발적으로 뿜어내는 것일지도 모른다.

적외선을 이용한 이전의 연구는 중심에 위치한 별들에서 매우 가깝게 붙어있는 뜨거운 먼지덩어리를 관측한 바 있다.

칠레 라스깜빠나스 천문대의 마젤란 망원경을 이용하여 마우어핸과 동료들에 의해 수행된 최근의 관측은 중심의 별들로부터 발생한 빛들이 간접적으로 산란되면서 식별된 것으로 보이는, 이전 연구보다는 비교적 차가우면서 거대한 먼지 덩어리를 발견했다. 

 

이처럼 따뜻한 먼지덩어리들이 존재한다는 것은 이들이 아마도 분출과정을 통해 최근에 두 개 별의 폭풍으로부터 쏟아져나온 화확적으로 풍부한 조성을 가진 물질들이 서로 다른 방향으로 충돌하고 뒤섞이며, 밀쳐져 나가며 식어가는 과정을 통해형성되었을 것이라는 점을 암시하고 있다. 
 

폭풍의 강도나 짝꿍별이 또다른 짝꿍별의 수소 표피를 빼앗아오는 비율의 산발적인 변화는 원반의 최외곽부에서 관측되는 덩어리 구조나 간극을 설명해줄 수 있을른지도 모른다.

각 별에서 초음속의 폭풍을 측정하기 위해 천문학자들은 찬드라 X선 망원경을 이용하여 이곳을 겨냥하였다.

그 결과 이곳에서 맹렬하게 이글거리는 플라즈마가 관측되었는데 이는 두 개의 별들로부터 쏟아져나오는 폭풍이 충돌하면서 X선에서 빛을 내는 고에너지 충격파를 양산해내고 있음을 의미하는 것이다.

이는 천문학자들이 다른 울프-레이에 별들로부터 발견하는 현상과 일치하는 것이었다.

 

이처럼 혼란스러운 질량 전이 과정은 울프-레이에 별이 모든 물질을 소진해버릴때까지 계속될 것이다.

결국 원반상의 먼지는 모두 뿔뿔이 사라져버릴 것이고 이중별계만을 선명하게 볼 수 있게 될 것이다.

 

마우어핸의 설명은 다음과 같다.
"이 별이 어떤 진화의 과정을 겪게 될지는 불확실합니다. 그러나 그 과정이 따분하지 않을 것이라는 것은 확실합니다.
NaSt1은 또 하나의 용골자리 에타별과 같은 별로서 진화해 갈 수 있을 겁니다.
이러한 변화의 여정에서 질량을 획득한 짝꿍별은 거대한 폭발을 경험할 수 있을 것입니다.
왜냐하면 새로 형성된 울프-레이에 별로부터 획득한 물질과 연관된 몇몇 불안정성이 있기 때문이죠.
아니면 울프-레이에 별 자체가 초신성으로 폭발할 수도 있습니다.
별들 간의 충돌은 이 별들의 공전궤도의 변화 양상을 봤을 때 또 하나의 가능성 있는 결과입니다.
이 별이 폭발하게 될지, 얼마나 오랫동안 질량 전이과정을 겪게 될지, 그리고 질량 전이를 그치고서도 얼마나 오랫동안 살 수 있게 될지 여부에 따라 어떠한 형태로든 흥미로운 사건이 가능할 것으로 보입니다."
 

연구팀의 연구 결과는 2015년 5월 21일 왕립천문학회의 월간 학회보 온라인판에 개재되었다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and J. Mauerhan (University of California, Berkeley)

 

사진1> 허블우주 망원경이 가시광선으로 촬영한 이 사진은 미리내에 있는 극도의 밝은 별 주위를 둘러싼 팬케이크 모양의 가스 원반을 보여주고 있다.

이 원반에서는 이온화 질소가 매우 밝게 빛나고 있다.

이 원반의 중심에는 NaSt1 이라는 등재명에서 유래된 골치덩이 1 (Nasty 1)이라는 별명의 별이 있다.

이 별은 태양의 10배 이상의 질량을 가지면서 빠르게 진화하는 울프-레이에 별로 생각되고 있다.

이 별은 수소로 구성된 외곽 표피를 빠르게 잃고 초고온의, 극도의 밝기를 가진 헬륨 핵을 노출시키게 된다. 

NaSt1은 짝꿍별을 가지고 있는 것으로 생각되며 이 두 별 간의 중력상호작용이 가스 원반을 만들어냈을 것으로 생각된다.

이 두 개 별 모두 원반 상의 가스와 먼지에 의해 완전히 차폐되어 있다.

허블우주 망원경의 관측 결과는 NaSt1질량의 일부는 짝꿍별로 떨이지고 있고, 나머지 일부는 우주공간으로 유실되면서 원반을 만들고 있음을 보여주었다.

이 광활한 원반구조의 너비는 거의 3조 2천억 킬로미터에 달한다.

이 원반은 군데군데 덩이진 양상을 보이는데 천문학자들은 이러한 구조가 단속적인 폭발 때문에 발생한 것으로 보고 있다.

사진 중앙 왼쪽으로 보이는 점은 특이하게 밝게 빛나는 가스 덩어리이다.
이 사진은 원반의 세부를 드러내기 위해 파란색으로 처리된 것이다.
천문학자들은 이 원반과 같은 구조의 존재에 대해 놀라움을 금치 못하고 있는데 미리내에 존재하는 울프-레이에 별로서 이러한 구조를 두르고 있는 것은 이전에 결코 관측된 바 없었기 때문이다.
이 별은 거대 질량의 별이 진화와중에 거치게 되는 매우 짧은 단계를 보여주고 있는 것이라고 추측되고 있다. 
NaSt1은 지구로부터 3천광년 거리에 위치하고 있다.
허블우주 망원경을 이용한 관측은 2013년 4월에 이루어졌으며 이 사진은 WFC3를 이용하여 촬영되었다.

 

출처 : 허블사이트 2015년 5월 14일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/21/
  
참고 : NaSt 1을 비롯한  별에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972  

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-21

Hubble Observes one-of-a-Kind Star Nicknamed 'Nasty'

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have uncovered surprising new clues about a hefty, rapidly aging star whose behavior has never been seen before in our Milky Way galaxy. In fact, the star is so weird that astronomers have nicknamed it "Nasty 1," a play on its catalog name of NaSt1. The star may represent a brief transitory stage in the evolution of extremely massive stars.

First discovered several decades ago, Nasty 1 was identified as a Wolf-Rayet star, a rapidly evolving star that is much more massive than our sun. The star loses its hydrogen-filled outer layers quickly, exposing its super-hot and extremely bright helium-burning core.

But Nasty 1 doesn't look like a typical Wolf-Rayet star. The astronomers using Hubble had expected to see twin lobes of gas flowing from opposite sides of the star, perhaps similar to those emanating from the massive star Eta Carinae, which is a Wolf-Rayet candidate. Instead, Hubble revealed a pancake-shaped disk of gas encircling the star. The vast disk is nearly 2 trillion miles wide, and may have formed from an unseen companion star that snacked on the outer envelope of the newly formed Wolf-Rayet. Based on current estimates, the nebula surrounding the stars is just a few thousand years old, and as close as 3,000 light-years from Earth.

"We were excited to see this disk-like structure because it may be evidence for a Wolf-Rayet star forming from a binary interaction," said study leader Jon Mauerhan of the University of California, Berkeley. "There are very few examples in the galaxy of this process in action because this phase is short-lived, perhaps lasting only a hundred thousand years, while the timescale over which a resulting disk is visible could be only ten thousand years or less."

According to the team's scenario, a massive star evolves very quickly, and as it begins to run out of hydrogen, it swells up. Its outer hydrogen envelope becomes more loosely bound and vulnerable to gravitational stripping, or a type of stellar cannibalism, by the nearby companion star. In that process, the more compact star winds up gaining mass, and the original massive star loses its hydrogen envelope, exposing its helium core to become a Wolf-Rayet star.

Another way Wolf-Rayet stars are said to form is when a massive star ejects its own hydrogen envelope in a strong stellar wind streaming with charged particles. The binary interaction model where a companion star is present is gaining traction because astronomers realize that at least 70 percent of massive stars are members of double-star systems. Direct mass loss alone also cannot account for the number of Wolf-Rayet stars relative to other less-evolved massive stars in the galaxy.

"We're finding that it is hard to form all the Wolf-Rayet stars we observe by the traditional wind mechanism, because mass loss isn't as strong as we used to think," said Nathan Smith of the University of Arizona in Tucson, who is a co-author on the new NaSt1 paper. "Mass exchange in binary systems seems to be vital to account for Wolf-Rayet stars and the supernovae they make, and catching binary stars in this short-lived phase will help us understand this process."

But the mass-transfer process in mammoth binary systems isn't always efficient. Some of the stripped matter can spill out during the dynamical gravitational tussle between the stars, creating a disk around the binary.

"That's what we think is happening in Nasty 1," Mauerhan said. "We think there is a Wolf-Rayet star buried inside the nebula, and we think the nebula is being created by this mass-transfer process. So this type of sloppy stellar cannibalism actually makes Nasty 1 a rather fitting nickname."

The star's catalog name, NaSt1, is derived from the first two letters of each of the two astronomers who discovered it in 1963, Jason Nassau and Charles Stephenson.

Viewing the Nasty 1 system hasn't been easy. The system is so heavily cloaked in gas and dust, it blocks even Hubble's view of the stars. So Mauerhan's team cannot measure the mass of each star, the distance between them, or the amount of material spilling onto the companion star.

Previous observations of Nasty 1 have provided some information on the gas in the disk. The material, for example, is travelling about 22,000 miles per hour in the outer nebula, slower than similar stars. The comparatively slow speed indicates that the star expelled its material through a less violent event than Eta Carinae's explosive outbursts, where the gas is travelling hundreds of thousands of miles per hour.

Nasty 1 may also be shedding the material sporadically. Past studies in infrared light have shown evidence for a compact pocket of hot dust very close to the central stars. Recent observations by Mauerhan and colleagues at the University of Arizona, using the Magellan telescope at Las Campanas Observatory in Chile, have resolved a larger pocket of cooler dust that may be indirectly scattering the light from the central stars. The presence of warm dust implies that it formed very recently, perhaps in spurts, as chemically enriched material from the two stellar winds collides at different points, mixes, flows away, and cools. Sporadic changes in the wind strength or the rate the companion star strips the main star's hydrogen envelope might also explain the clumpy structure and gaps seen farther out in the disk.

To measure the hypersonic winds from each star, the astronomers turned to NASA's Chandra X-ray Observatory. The observations revealed scorching hot plasma, indicating that the winds from both stars are indeed colliding, creating high-energy shocks that glow in X-rays. These results are consistent with what astronomers have observed from other Wolf-Rayet systems.

The chaotic mass-transfer activity will end when the Wolf-Rayet star runs out of material. Eventually, the gas in the disk will dissipate, providing a clear view of the binary system.

"What evolutionary path the star will take is uncertain, but it will definitely not be boring," said Mauerhan. "Nasty 1 could evolve into another Eta Carinae-type system. To make that transformation, the mass-gaining companion star could experience a giant eruption because of some instability related to the acquiring of matter from the newly formed Wolf-Rayet. Or, the Wolf-Rayet could explode as a supernova. A stellar merger is another potential outcome, depending on the orbital evolution of the system. The future could be full of all kinds of exotic possibilities depending on whether it blows up or how long the mass transfer occurs, and how long it lives after the mass transfer ceases."

The team's results will appear May 21 in the online edition of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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