2015. 6. 10. 22:24ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
먼지 고치로부터 탄생하는 우주의 나비
ESO의 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용하여 촬영된 최고해상도의 사진들을 통해 늙은 별들이 행성상성운과 같은 나비 모양의 천체를 만들어내는 모습을 처음으로 볼 수 있게 되었다.
VLT에 장착된 SPHERE 장비의 ZIMPOL 모드로 실행된 고물자리 L2(L2 Puppis)라는 적색거성의 관측은 매우 가깝게 붙어있는 짝꿍별도 명확하게 보여주었다.
죽음의 문턱에 이른 별들은 천문학자들에게 수많은 수수께끼를 던진다.
복잡성을 가진 멋진 모래시계 모양의 양극성 성운의 기원에 있어서 그 수수께끼는 두배가 된다.
이 새로운 화상 모드는 바야흐로 VLT야말로 천체를 직접적으로 촬영하는 현존장비 중 최고 해상도의 장비라는 것을 의미하고 있다.
약 200 광년 거리에 위치한 고물자리 L2 별은 삶의 막바지에 접어든 적색거성으로서는 지구와 가장 가까이 위치하는 별 중 하나이다.
SPHERE의 ZIMPOL 모드로 수행된 새로운 관측은 가시광선 대역에서 극도의 적응광학을 이용하였다.
이는 일반적응광학보다 훨씬 높은 정도의 이미지 보정을 가능하게 함으로써 매우 밝은 천체나 밝은 빛에 가까이 있는 희미한 천체나 해당 천체의 구조를 세세하게 관측할 수 있도록 해 준다.
이와 같은 모드를 이용하여 적색거성 관측으로는 가장 세밀한 관측을 수행한 연구진이 첫번째 논문을 발표했다.
ZIMPOL은 허블우주망원경보다 3배 이상의 해상도로 사진을 찍어낼 수 있으며 이번 관측을 통해서 고물자리 L2를 둘러싸고 있는 먼지들을 매우 정교하게 담아냈다.[1]
이를 통해 연구원들은 NACO를 이용하여 이전에 발견된, 지구쪽을 향해 거의 수직으로 서 있는 먼지원반의 존재를 확정하였으며 이전보다 훨씬 더 생생한 원반의 모습을 보여줄 수 있었다.
사진 2> 이 사진은 SHPERE의 ZIMPOL 모드로 관측된 고물자리 L2의 관측 자료를 역시 VLT에 장착된 NACO의 적외선 데이터와 합성한 것으로 성운의 상단 부분 멀리까지 전개된 먼지 고리의 모습을 보여주고 있다.
또한 ZIMPOL로 수집된 편광정보는 연구팀으로 하여금 이 먼지 구조의 3차원 모델을 구축할 수 있도록 해 주었다.[2]
천문학자들은 이 먼지 원반이 별로부터 9억 킬로미터 거리에서 시작된다는 점을 발견하였고 - 이는 태양 ~ 목성 간 거리보다 약간 더 먼 거리이다. - 이 먼지 원반이 바깥쪽으로 불타오르면서 별을 둘러싼 깔대기 모양의 대칭적 구조가 만들어지고 있다는 점을 알아냈다.
연구팀은 또한 고물자리 L2 별로부터 3억광년 거리 - 이는 태양 ~ 지구의 두 배에 달하는 거리이다 - 에서 빛을 뿜어내는 또다른 천체를 발견했다.
매우 가깝게 붙어 있는 이 짝꿍별은 질량이 약간 덜 나가며 진화는 훨씬 덜 된 또 하나의 적색거성인 것으로 보인다.
서서히 죽어가는 별을 휘감고 있는 어마어마한 양의 먼지와 또 여기에 동반된 짝꿍별의 조합이 의미하는 것은 이것이 양극성 행성상성운을 만드는 것으로 예측되는 유형에 딱 들어맞는다는 것이다.
이러한 세가지 요소는 필수적인 것으로 보이지만 이 먼지고치로부터 우주의 나비가 탄생하기 위해서는 상당한 행운도 필요하다.
이번 논문의 수석저자인 피에르 커벨라(Pierre Kervella)의 설명은 다음과 같다.
"양극성 행성상성운의 기원은 현대 천체물리학에 있어서 가장 중요한 고전적인 질문 중 하나입니다.
어떻게 별이 자신이 짊어지고 있는 값진 금속성 원소들을 정확하게 우주공간으로 되돌려 보낼 수 있는가에 대한 질문으로서 특히 더 그렇죠.
이것은 매우 중요한 과정입니다. 왜냐하면 결국 이 물질들이 나중에 행성계를 만들어내는데 사용되기 때문입니다."
고물자리 L2의 불타오르는 먼지원반과 함께 연구팀은 또한 이 원반에 직각으로 솟아있는 두 개의 원뿔체도 발견하였다.
연구팀은 이 원뿔체 안에서 천천히 휘어지면서 솟아오르는 두 개의 기다란 상승류도 발견하였다.
이 상승류들의 시작점을 기반으로 연구팀은 이 중 하나의 상승류는 고물자리 L2의 물질들과 짝꿍별의 폭풍과 복사압력 간의 상호작용에 의해 만들어졌을 것으로 추측하였으며 나머지 하나는 이 두 개 별로부터 쏟아져나오는 폭풍의 충돌에 의해 만들어졌거나 짝꿍별 주위를 휘감고 있는 강착 원반의 결과물로 만들어졌을 것으로 추측하였다.
양극성 행성상성운에 대한 두 개의 선구적인 이론을 통해 상당부분 이해되고 있긴 하지만 이 이론들은 모두 이중별계의 존재를 염두에 두고 있다. [3]
이번에 이루어진 새로운 관측은 이러한 두 개 과정이 모두 고물자리 L2에서 진행되고 있음을 알려주고 있으며 그 결과로 이 한쌍의 별은 나비모양의 행성상성운을 만들어내게 될 것으로 보고 있다.
피에르 카벨라의 결론은 다음과 같다.
"고물자리 L2 주위를 수년 단위로 공전하는 짝꿍별과 함께 우리는 이 별이 어떻게 적색거성 원반을 형성하는지 볼 수 있게 되기를 기대하고 있습니다.
이 별들의 주위를 둘러싼 먼지 구조의 변화 양상은 실시간으로 추적할 수 있을 것입니다.
이것은 정말 희귀하면서도 흥분되는 관측이라 할 수 있습니다."
표1> 이 표는 남반구의 거대 별자리인 고물자리를 보여주고 있다.
표에 표시된 별들은 어두운 밤하늘에서라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다.
고물자리 L2의 위치가 붉은색 원으로 표시되어 있다.
이 적색거성은 망원경 없이도 희미하게 볼 수 있으며 망원경을 통해 보면 매우 붉은 별로 나타난다.
사진 3> 이 사진은 적색거성 고물자리 L2의 주변과 고물자리가 위치한 하늘을 보여주고 있다.
미리내에서 천체가 빽빽하게 몰려있는 이 지역에는 붉은 빛의 수소 성운들과 혜성형 구상체로 알려져 있는 먼지구름들이 자리잡고 있다.
이 사진은 DSS2의 사진들을 조합하여 만들어진 것이다.
각주
[1] SPHERE/ZIMPOL은 극단의 적응광학(extreme adaptive optics)을 이용하여 회절한계까지 다다른 사진들을 만들어낸다.
이는 만약 대기가 존재하지 않는다면 일반 적응광학을 이용하여 달성가능한 이론적 한계를 뛰어넘어 훨씬더 한계치에 가까운 수준까지 도달한 것이다.
극단의 적응광학은 또한 밝은 별과 가까이 붙어있는 훨씬 희미한 천체들도 볼 수 있게 해준다.
이 사진들은 또한 초기의 적응광학 사진들이 촬영되었던 근적외선 대역보다 훨씬 짧은 파장인 가시광선에서 촬영되었다.
바로 이 두가지 요소가 이전의 VLT 사진들보다 화질이 현저하게 개선된 사진을 만들 수 있게 해 주었다.
이보다 훨씬 더 높은 공간 분해능이 VLTI에 의해 달성되기는 했지만 이는 전파간섭계로서 직접적으로 사진을 만들어낸 것은 아니었다.
[2] 이 원반상의 먼지는 매우 효과적으로 별빛을 산란시키면서 편광시키고 있다.
이러한 특징으로 연구팀은 ZIMPOL과 NACO의 데이터와 RADMC-3D복사전달 모델링 툴에 기반한 원반모델을 사용하여 이 원반의 3차원 지도를 만들 수 있었으며 주어진 변수들을 이용하여 먼지들을 통과하며 퍼져나오는 광자의 양상을 시연할 수 있었다.
[3] 첫번재 이론은 죽어가는 별의 폭풍으로부터 만들어진 먼지들이 짝꿍별로부터 쏟아져나오는 폭풍과 복사압력에 의해 별주위에 고리 모양으로 순환하는 형태로 제약된다고 설명한다.
이 첫 번째 별로부터 추가로 분출되어 나온 물질들은 원반의 방해를 받아 원반으로부터 수직 방향의 양쪽 측면으로 밀려나가면서 깔때기 모양이나 평행선의 양상을 띠게 되는 것이다.
두 번째 이론은 죽어가는 별로부터 분출된 대부분의 물질들이 짝꿍별 주위에 쌓이면서 강착 원반을 형성하기 시작하고 여기서 한 쌍의 강력한 제트가 만들어진다는 입장을 견지하고 있다.
남아 있는 물질들은 죽어가는 별의 별폭풍에 의해 모두 밀려나가면서 하나의 행성계에서 일반적으로 발생하는 것처럼 별 주위를 둘러싼 가스와 먼지의 구름을 만들게 된다.
짝꿍별에서 새로 만들어진 양극성 제트는 죽어가는 별의 별폭풍보다 훨씬 많은 힘을 가지고 이동하면서 주위 먼지에 이중의 구멍을 만들어내게 되고 이로부터 양극성 행성상성운의 특징이 되는 형태가 나오게 된다.
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release 2015년 6월 10일자
http://www.eso.org/public/news/eso1523/
참고 : 다양한 행성상성운 등 각종 성운에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346974
참고 : 고물자리 L2를 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346972
원문>
eso1523 — Science Release
A Celestial Butterfly Emerges from its Dusty Cocoon
SPHERE reveals earliest stage of planetary nebula formation
10 June 2015
Some of the sharpest images ever made with ESO’s Very Large Telescope (VLT) have, for the first time, revealed what appears to be an ageing star giving birth to a butterfly-like planetary nebula. These observations of the red giant star L2 Puppis, from the ZIMPOL mode of the newly installed SPHERE instrument, also clearly showed a close companion. The dying stages of stars continue to pose astronomers with many riddles, and the origin of such bipolar nebulae, with their complex and alluring hourglass figures, doubly so. This new imaging mode means that the VLT is currently the sharpest astronomical direct imaging instrument in existence.
At about 200 light-years away, L2 Puppis is one of the closest red giants to Earth known to be entering its final stages of life. The new observations with the ZIMPOL mode of SPHERE were made in visible light using extreme adaptive optics, which corrects images to a much higher degree than standard adaptive optics, allowing faint objects and structures close to bright sources of light to be seen in greater detail. They are the first published results from this mode and the most detailed of such a star.
ZIMPOL can produce images that are three times sharper than those from the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and the new observations show the dust that surrounds L2 Puppis in exquisite detail [1]. They confirm earlier findings, made using NACO, of the dust being arranged in a disc, which from Earth is seen almost completely edge-on, but provide a much more detailed view. The polarisation information from ZIMPOL also allowed the team to construct a three dimensional model of the dust structures [2].
The astronomers found the dust disc to begin about 900 million kilometres from the star — slightly farther than the distance from the Sun to Jupiter — and discovered that it flares outwards, creating a symmetrical, funnel-like shape surrounding the star. The team also observed a second source of light about 300 million kilometres — twice the distance from Earth to the Sun — from L2 Puppis. This very close companion star is likely to be another red giant of slightly lower mass, but less evolved.
The combination of a large amount of dust surrounding a slowly dying star, along with the presence of a companion star, mean that this is exactly the type of system expected to create a bipolar planetary nebula. These three elements seem to be necessary, but a considerable amount of good fortune is also still required if they are to lead to the subsequent emergence of a celestial butterfly from this dusty chrysalis.
Lead author of the paper, Pierre Kervella, explains: “The origin of bipolar planetary nebulae is one of the great classic problems of modern astrophysics, especially the question of how, exactly, stars return their valuable payload of metals back into space — an important process, because it is this material that will be used to produce later generations of planetary systems.”
In addition to L2 Puppis’s flared disc, the team found two cones of material, which rise out perpendicularly to the disc. Importantly, within these cones, they found two long, slowly curving plumes of material. From the origin points of these plumes, the team deduces that one is likely to be the product of the interaction between the material from L2 Puppis and the companions star’s wind and radiation pressure, while the other is likely to have arisen from a collision between the stellar winds from the two stars, or be the result of an accretion disc around the companion star.
Although much is still to be understood, there are two leading theories of bipolar planetary nebulae, both relying on the existence of a binary star system [3]. The new observations suggest that both of these processes are in action around L2 Puppis, making it appear very probable that the pair of stars will, in time, give birth to a butterfly.
Pierre Kervella concludes: “With the companion star orbiting L2 Puppis only every few years, we expect to see how the companion star shapes the red giant’s disc. It will be possible to follow the evolution of the dust features around the star in real time — an extremely rare and exciting prospect.”
Notes
[1] SPHERE/ZIMPOL use extreme adaptive optics to create diffraction-limited images, which come a lot closer than previous adaptive optics instruments to achieving the theoretical limit of the telescope if there were no atmosphere. Extreme adaptive optics also allows much fainter objects to be seen very close to a bright star. These images are also taken in visible light — shorter wavelengths than the near-infrared regime, where most earlier adaptive optics imaging was performed. These two factors result in significantly sharper images than earlier VLT images. Even higher spatial resolution has been achieved with VLTI, but the interferometer does not create images directly.
[2] The dust in the disc was very efficient at scattering the stars’ light towards Earth and polarising it, a feature that the team could use to create a three-dimensional map of the envelope using both ZIMPOL and NACO data and a disc model based on the RADMC-3D radiative transfer modeling tool, which uses a given set of parameters for the dust to simulate photons propagating through it.
[3] The first theory is that the dust produced by the primary, dying star’s stellar wind is confined to a ring-like orbit about the star by the stellar winds and radiation pressure produced by the companion star. Any further mass lost from the main star is then funneled, or collimated, by this disc, forcing the material to move outwards in two opposing columns perpendicular to the disc.
The second holds that most of the material being ejected by the dying star is accreted by its nearby companion, which begins to form an accretion disc and a pair of powerful jets. Any remaining material is pushed away by the dying star’s stellar winds, forming an encompassing cloud of gas and dust, as would normally occur in a single star system. The companion star’s newly created bipolar jets, moving with much greater force than the stellar winds of the dying star, then carve dual cavities through the surrounding dust, resulting in the characteristic appearance of a bipolar planetary nebula.
More information
This research was presented in a paper entitled “The dust disk and companion of the nearby AGB star L2 Puppis”, by P. Kervella, et al., to appear in the journal Astronomy & Astrophysics on 10 June 2015.
The team is composed of P. Kervella (Unidad Mixta Internacional Franco-Chilena de Astronomía, CNRS/INSU, France; Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile; Observatoire de Paris, LESIA, France; Université Paris-Diderot, Meudon, France), M. Montargès (LESIA, France; Institut de Radio-Astronomie Millimétrique, St Martin d’Hères, France), E. Lagadec (Laboratoire Lagrange, Université de Nice-Sophia Antipolis, CNRS, Observatoire de la Côte d’Azur, Nice, France), S. T. Ridgway (National Optical Astronomy Observatories, Tucson, Arizona, USA), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), J. H. Girard (ESO, Chile), K. Ohnaka (Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chile), G. Perrin (Observatoire de Paris, LESIA, France) and A. Gallenne (Universidad de Concepción, Departamento de Astronomía, Concepción, Chile).
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
- ESOcast on ZIMPOL/SPHERE and polarimetry
- More information about SPHERE
Contacts
Pierre Kervella
Departamento de Astronomía, Universidad de Chile
Santiago, Chile
Cell: +33 628 076 550
Email: pierre.kervella@obspm.fr
Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org
'3. 천문뉴스 > 유럽남부천문대(ESO)' 카테고리의 다른 글
| M87 : 거대 은하는 여전히 성장을 계속하고 있다. (0) | 2015.06.26 |
|---|---|
| CR7 : 태초의 별을 품고 있는 은하가 발견되다. (0) | 2015.06.17 |
| SDP.81 : 머나먼 은하에서 별의 탄생을 가장 높은 해상도로 촬영하다. (0) | 2015.06.09 |
| RCW 34 : 거품 가득한 우주의 축제 (0) | 2015.06.02 |
| 떠오르는 미리내 (0) | 2015.05.26 |