행성이 다시 젊어질 수 있을까?

 

CreditNASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

그림 1> 이 상상화는 가설상의 '다시 젊어지는 행성'을 묘사한 것으로 다시 젊어지는 행성이란 활발한 적외선 불꽃으로 재충전되는 거대 가스상 행성을 말한다. 

NASA의 스피처 우주망원경이 PG 0010+280 으로 등재된 백색 난쟁이별 주변에서 이와 같은 행성의 일시적인 증거를 발견했다.
(PG 0010+280은 그림에서 하얀 점으로 묘사되어 있다.)

어린 행성은 형성 시점으로부터 남아 있는 내부 열기로 인해 바싹 구워진 상태이다.

그리고 나서 다시 열기를 받기 전까지는 내내 식어가게 된다.

이 이론은 자신의 별로부터 멀리 떨어진 궤도를 공전하는 이 목성과 같은 행성에 별이 죽어갈 때 벗어던진 물질들이 쌓인다고 가정하고 있다. 

그리고 이 물질들로 인해 행성의 질량이 증가하게 된다.

이 물질들이 행성으로 떨어질 때,  마찰로 열이 발생할 수 있다.

그 결과 수십억년의 나이를 지닌 늙은 행성이 마치 갓 형성되었을 때처럼 적외선을 복사하게 된다는 것이다.

스피처 우주망원경이 관측한 것은 백색 난쟁이별 PG 0010+280 주위에서 정도 이상의 적외선이 존재한다는 것이었다.

천문학자들은 이 적외선이 어디로부터 나오는지 확신하지 못하는 상태이며 그 중 하나의 가능성으로 다시 젊어진 행성을 고려하고 있다.

향후 관측이 이번 수수께끼를 푸는데 도움을 줄 수 있을것이다.

이 목성형 행성의 크기는 백색 난쟁이 별의 10배 정도이다.

백색 난쟁이 별의 크기는 대략 지구 정도이며 따라서 이 백색 난쟁이 별은 목성의 대적반에 딱 들어맞는 크기이다. 
 

백색 난쟁이별 PG 0010+280  주변에서 관측된 적외선의 수수께끼 : 행성이 다시 젊어질 수 있을까?  

 

행성에게는 온천에서 보내는 하루와 같을 것이다.

나이를 먹은 후에도 거대 질량을 가진 행성은 이론상으로는 다시 밝은 복사를 뿜어내며 젊음의 빛을 과시할 수 있다.

이른바 '회춘한 행성'은 오직 이론상으로만 존재한다.

그런데 NASA 스피처 우주망원경을 이용한 관측 결과 실제 이러한 현상을 보이는 후보가 하나 식별되었다.
이 행성은 실제 나이보다도 수십억년은 더 젊어보인다.

 

6월 10일, 아스트로피지컬 저널에 개재된 논문의 공동저자인 UCLA 마이클 주라(Michael Jura)의 설명은 다음과 같다.
"어린 행성은 형성 시점부터 게속 적외선 대역에서 밝은 빛을 뿜어냅니다.
하지만 나이를 먹을수록 점점 식어가고 더 이상 보이지 않게 되죠.
그런데 회춘하는 행성은 다시 보이게 됩니다."
 
행성은 어떻게 젊음을 되찾게 되는 것일까?

 

수년 전 천문학자들은 목성과 같은 무거운 행성에 죽어가는 별로부터 뿜어져나온 질량이 쌓일 수 있다고 예견한 바 있다.

우리 태양과 같은 별이 나이를 먹게 되면 적색 거성으로 부풀어 오르게 되고 점진적으로 자신의 질량을 반 이상 잃게 되면서 백색 난쟁이별이라 불리는 별의 유골로 변해간다.

이렇게 죽어가는 별에서 불려나온 물질들은 행성계의 외곽부에서 공전궤도를 유지하고 있는 거대 행성에 쌓일 가능성이 있다.

이렇게 되면 이 거대 행성의 질량은 늘어나게 되고, 추락하는 물질들에 의해 발생하는 마찰력으로 열이 발생하게 된다.

수십억년의 시간을 거쳐 식어온 늙은 별은 이러한 작용으로 인해 다시 데워지면서 적외선을 복사할 수 있게 되는 것이다.

 

이번 연구에서 대상으로 삼은 별은 PG 0010+280 이라는 이름의 백색 난쟁이별이다.

 

이 프로젝트에 참여하고 있는 UCLA 학부생인 블레이크 판토자(Blake Pantoja)는 NASA 광대역 적외선 탐사위성(Wide-field Infrared Survey Explorer, or WISE)의 데이터를 살펴보던 중 이 별 주위에 예상밖의 적외선이 있다는 것을 우연히 발견하였다.

이 별에 대한 스피처 관측 데이터를 추가로 찾아본 결과 2006년의 관측 자료에서도 역시 적외선의 초과 양상이 동일하게 나타나고 있었다.

 

처음에 연구팀은 이 여분의 적외선이 백색 난쟁이 별 주위에 형성된 물질 원반으로부터 오는 것일 거라고 추측하였다.

최근 10여년 동안 약 40여개의 백색 난쟁이 별 주위에 원반들이 존재한다는 것이 발견되었다.

여기에 원반이 형성되는 이유는 소행성들이 백색 난쟁이별에 가깝게 다가갈 때, 백색 난쟁이별의 강력한 중력에 의해 깨지면서 만들어지는 것으로 생각되고 있다.

 

백색 난쟁이별이 소행성을 갈갈이 찢어놓는다는 또다른 증거는 백색 난쟁이별의 원소에 대한 관측으로부터 도출된 것이다.

백색 난쟁이별의 대기에서는 오직 수소와 헬륨만이 관측되어야 함에도 과학자들은 지금까지 100여개의 백색 난쟁이별에서 산소와 마그네슘, 규소와 철과 같은 무거운 원소들의 흔적을 발견했다.

이 원소들은 파괴된 소행성의 잔해에 의해 발생되어 백색 난쟁이별의 대기를 오염시키는 것으로 생각되고 있다.

(참고  : 백색 난쟁이별 주위에 형성되는 먼지 원반에 대한 내용은 하기 링크를 통해 참고할 수 있습니다.
            NASA Hubble News Release 2013.05.09 : https://big-crunch.tistory.com/12346589
            NASA Hubble News Release 2013.10.10 : https://big-crunch.tistory.com/12346859 )

 

그런데 PG 0010+280 의 스피처 관측 데이터는 이러한 소행성 원반 모델에 잘 들어맞지 않았고, 따라서 연구팀은 다른 가능성을 모색해야 했다.

 

아마도 이 적외선은 백색 난쟁이별의 짝별로서 '별이 되는 것이 실패한' 갈색 난쟁이별에서 나오는 것일 수도 있고 좀더 상상을 가하면 회춘한 행성에서 나오는 것일 수도 있었다.

 

UCLA 와 유럽남반구천문대 소속인 시이 주(Siyi Xu)의 소감은 다음과 같다.
"저는 이번 연구에서 가장 흥미로운 점은 적외선의 초과 양상이 거대 행성으로부터 오는 것일 가능성이 있다는 점이라는 것을 알아차렸습니다.
물론 우리는 더 많은 작업을 통해 이를 증명해야 하죠.
만약 이것이 사실이라면 어떤 행성들은 별이 적색 거성을 거치는 단계에서도 살아남을 수 있으며 백색 난쟁이별 주위에도 존재할 수 있다는 것을 직접적으로 말해주는 것이 될 것입니다."

향후 NASA에서 계획하고 있는 제임스 웹 우주망원경은 이 적외선의 원천이 백색 난쟁이별의 원반인지 아니면 행성인지를 밝혀주게 될 것이다.

그때까지 회춘하는 행성에 대한 연구는 마치 불로초을 찾아나선 인류의 도전처럼 기다림을 견뎌내야 한다. 

 

 

출처 : NASA Spitzer Space Telescope Recent News  2015년 6월 25일 
         http://www.spitzer.caltech.edu/news/1772-feature15-07-Can-Planets-Be-Rejuvenated-Around-Dead-Stars-
        

참고 : 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346973 
          
참고 : 백색 난쟁이 별 PG 0010+280을 비롯한 다양한 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

Can Planets Be Rejuvenated Around Dead Stars?

For a planet, this would be like a day at the spa. After years of growing old, a massive planet could, in theory, brighten up with a radiant, youthful glow. Rejuvenated planets, as they are nicknamed, are only hypothetical. But new research from NASA's Spitzer Space Telescope has identified one such candidate, seemingly looking billions of years younger than its actual age.

"When planets are young, they still glow with infrared light from their formation," said Michael Jura of UCLA, coauthor of a new paper on the results in the June 10 issue of the Astrophysical Journal Letters. "But as they get older and cooler, you can't see them anymore. Rejuvenated planets would be visible again."

How might a planet reclaim the essence of its youth? Years ago, astronomers predicted that some massive, Jupiter-like planets might accumulate mass from their dying stars. As stars like our sun age, they puff up into red giants and then gradually lose about half or more of their mass, shrinking into skeletons of stars, called white dwarfs. The dying stars blow winds of material outward that could fall onto giant planets that might be orbiting in the outer reaches of the star system.

Thus, a giant planet might swell in mass, and heat up due to friction felt by the falling material. This older planet, having cooled off over billions of years, would once again radiate a warm, infrared glow.

The new study describes a dead star, or white dwarf, called PG 0010+280. An undergraduate student on the project, Blake Pantoja, then at UCLA, serendipitously discovered unexpected infrared light around this star while searching through data from NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer, or WISE. Follow-up research led them to Spitzer observations of the star, taken back in 2006, which also showed the excess of infrared light.

At first, the team thought the extra infrared light was probably coming from a disk of material around the white dwarf. In the last decade or so, more and more disks around these dead stars have been discovered -- around 40 so far. The disks are thought to have formed when asteroids wandered too close to the white dwarfs, becoming chewed up by the white dwarfs' intense, shearing gravitational forces.

Other evidence for white dwarfs shredding asteroids comes from observations of the elements in white dwarfs. White dwarfs should contain only hydrogen and helium in their atmospheres, but researchers have found signs of heavier elements -- such as oxygen, magnesium, silicon and iron -- in about 100 systems to date. The elements are thought to be leftover bits of crushed asteroids, polluting the white dwarf atmospheres.

But the Spitzer data for the white dwarf PG 0010+280 did not fit well with models for asteroid disks, leading the team to look at other possibilities. Perhaps the infrared light is coming from a companion small "failed" star, called a brown dwarf -- or more intriguingly, from a rejuvenated planet.

"I find the most exciting part of this research is that this infrared excess could potentially come from a giant planet, though we need more work to prove it," said Siyi Xu of UCLA and the European Southern Observatory in Germany. "If confirmed, it would directly tell us that some planets can survive the red giant stage of stars and be present around white dwarfs."

In the future, NASA's upcoming James Webb Space Telescope could possibly help distinguish between a glowing disk or a planet around the dead star, solving the mystery. But for now, the search for rejuvenated planets -- much like humanity's own quest for a fountain of youth -- endures.

JPL manages the Spitzer Space Telescope mission for NASA's Science Mission Directorate, Washington. Science operations are conducted at the Spitzer Science Center at the California Institute of Technology in Pasadena. Spacecraft operations are based at Lockheed Martin Space Systems Company, Littleton, Colorado. Data are archived at the Infrared Science Archive housed at the Infrared Processing and Analysis Center at Caltech. Caltech manages JPL for NASA.