VFTS 352 : 파국을 향해 돌진하는 두 별의 입맞춤

 

Credit:ESO/L. Calcada

 

그림 1> VFTS 352를 묘사한 이 상상화는 서로 맞닿은 채로 물질을 공유하고 있는 가장 뜨겁고 가장 무거운 이중별을 보여주고 있다.

이 극단적인 한 쌍의 별은 지구로부터 16만 광년 떨어진 대마젤란 은하 내에 자리잡고 있다.

이 특이한 이중별은 드라마틱한 종말을 맞게 될텐데, 하나의 거대한 별로 진화해 갈수도 있고, 한 쌍의 블랙홀이 될 수도 있다.

 

ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 활용한 국제천문연구팀이 가장 뜨겁고 가장 무거운 이중별을 발견했다.
이 한쌍의 별은 서로 너무나 가까이 있어 서로 맞닿아 있는 상태이다.

VFTS 352 라는 이름의 이 극단적인 계를 이루고 있는 이중별은 드라마틱한 파국을 향해 돌진해가는 것으로 보이는데, 충돌의 결과 거대한 하나의 별로 재탄생될 수도 있고 한쌍의 블랙홀이 형성될 수도 있다.

 

VFTS 352 라는 이름을 가지고 있는 이 이중별은 타란툴라성운 내에 자리잡고 있으며 지구로부터 16만 광년 거리에 위치하고 있다.[1]

우주에서 대단히 인상적인 이 구역은 우리의 근거리에 위치하는, 가장 활동적으로 새로운 별들을 보듬어내는 별들의 육아실이며 이번에 ESO의 VLT[2]를 이용하여 관측된 별은 지금까지 관측된 별 중 가장 극단적이면서 가장 괴상한 형태를 하고 있는 축에 속하는 한쌍의 어린 이중별임이 밝혀졌다.

VFTS 352는 두 개의 매우 뜨겁고 밝은 빛을 뿜어내면서 엄청난 질량을 지난 별로 구성되어 있으며 이들은 서로에 대해 하루를 약간 넘어서는 시간동안 공전하고 있다.

 

각 별의 중심간의 거리는 고작 1200만 킬로미터밖에 벌어져 있지 않다.[3]

사실 이 거리는 대단히 가까운 거리여서 별들 간의 표면은 중첩되어 있는 상태이고 두 별을 연결하는 다리와 같은 구조물이 형성되어 있는 상태이다.

VFTS 352 는 서로 붙어 있는 이중별(overcontact binaries)에 속하는 유형으로서 가장 무거운 질량을 가진 별들 - 두 별의 질량 합은 태양 질량의 57배이다. - 일 뿐만 아니라 그 표면 온도가 섭씨 4만 도에 육박하는 가장 뜨거운 온도를 지닌 별들이기도 하다.

 

VFTS 352 와 같은 극단적인 별들은 은하의 진화에 있어서 핵심적인 역할을 수행하며 산소와 같은 원소를 생성해낸 주요 천체일 것을 생각되고 있다.

이와 같은 이중별은 뱀파이어 별과 같은 양상을 보이는 특이한 행동 양상을 보이는 별들과도 연관이 있다.
뱀파이어 별이란 이중별 중에서 규모가 더 작은 짝꿍별로서 규모가 더 큰 이웃 별의 표면으로부터 물질을 빨아들이는 별을 말한다.
(참고 :  https://big-crunch.tistory.com/12346193 )

 

그러나 VFTS 352 의 경우는 이중별 두개 모두 그 크기가 거의 비슷한 상태이다.

따라서 별을 구성하는 물질이 한쪽에서 다른 한쪽으로 일방적으로 흘러들지 않고 있으며 물질들을 공유하고 있는 상태인 것으로 보인다. [4]

 

VFTS 352를 구성하는 각각의 별은 약 30퍼센트 정도의 물질을 서로 공유하고 있는 것으로 예측된다.

 

이와 같은 이중별은 발견하기가 매우 어려운데 이 단계가 별의 생애에서 대단히 짧은 순간에만 나타나기 때문이다.

 

서로에 대해 너무나 가깝게 위치하고 있기 때문에 별의 내부 물질들은 강력한 중력 조석작용에 의해 뒤섞임이 증가되고 있을 것으로 생각되고 있다.

 

이번 논문의 주저자인 상파울로 대학의 레오나르도 A. 알마이다(Leonardo A. Almeida)의 설명은 다음과 같다.
"VFTS 352는 뜨거운 온도와 무거운 질량을 가진 이중별로서 내부적으로 뒤섞임이 지속되는 양상을 보여주는 별로서는 지금까지 발견된 별들 중 최상의 예라 할 수 있습니다. 정말 흥미로우면서도 중요한 발견이라 아니할 수 없죠."
 

천문학자들은 VFTS 352가 두 가지 가능성 중 하나로 파국적인 운명을 맞게 될 것이라고 예견하고 있다.

 

첫번째 가능성은 두 개의 별이 하나로 합쳐져 매우 빠르게 자전하면서 엄청난 자기장을 형성하는 거대한 하나의 별이 될 것이라는 가정이다.

이번 프로젝트의 책임과학자인 루뱅 대학의 휴 사나(Hugues Sana)의 설명은 다음과 같다.
"만약 이렇게 생성된 하나의 별이 빠른 자전을 계속 유지한다면 장시간 감마선 폭발(long-duration gamma-ray burst)이라고 알려져 있는, 우주에서 가장 높은 에너지의 폭발 중 하나로서 삶을 마치게 될 가능성이 있습니다."[5]
 

연구팀의 수석 이론물리학자인 암스테르담 대학의 셀마 드 밍크(Selma de Mink)는 두 번째 가능성을 다음과 같이 설명한다.
"각각의 별이 각자 충분히 내부의 뒤섞임이 적절하게 일어난다고 가정해보죠.
그렇다면 각각의 별들은 하나로 합쳐지는 것을 피해갈 수도 있게 됩니다.
그렇게 되면 전형적인 별의 진화 예측과는 완전히 다른 방향으로 진화가 이루어지게 되죠.   
VFTS 352의 경우 각 별은 각각 자신만의 진화경로를 거쳐 초신성으로 폭발하게 되고, 이로부터 서로 바짝 다가선 한 쌍의 블랙홀이 형성되게 됩니다.
이와 같은 어마어마한 천체는 중력파를 생성해내는 강력한 원천이 될 수도 있죠."

 

이러한 두 번째 진화양상을 증명하는 것[6]은 별천체물리학 분야에서 획기적인 관측이 될 것이다.

 

그러나 VFTS 352가 어떻게 파국을 맞는지를 고려하지 않더라도 이 이중별은 이미 이전에는 잘 알려져 있지 않던 서로 맞닿아 있는 이중별의 진화에 대해 천문학자들에게 값진 통찰을 제공해 주었다.

 

 

Credit:ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit

 

사진 1> 이 사진은 VFTS 352의 위치를 보여주고 있다.

타란툴라성운 내의 별생성 구역을 담고 있는 이 사진에는 MPG/ESO 2.2미터 망원경의 광대역 화상기가 잡아낸 가시광선 데이터와 4.1미터 적외선 VISTA 망원경이 잡아낸 적외선 사진의 데이터가 담겨 있다.

 

 

각주

[1] 이 이중별은 그 이름에서 VLT FLAMES 타란툴라 서베이의 일환으로 관측되었음을 말해주고 있다.
VLT FLAMES 타란툴라 서베이는 ESO의 VLT에 장착된 FLAMES 및 GIRAFFE 장비를 이용하여 대마젤란 은하 내의 황새치자리 30 지역에 자리잡은 900개 이상의 별을 연구하는 프로그램이다. 
VLT FLAMES 타란툴라 서베이를 통해 이미 여러 흥미로우면서도 중요한 발견이 이루어졌다. 
여기에는 가장 빠른 속도로 자전하는 별(http://www.eso.org/public/news/eso1147/)과  엄청난 질량을 가지고 외따로 떨어져 빠르게 움직이고 있는 별(http://www.eso.org/public/news/eso1117/)에 대한 소식이 포함되어 있다. 
이러한 발견들은 무거운 별들이 자전으로부터 어떤 영향을 받는지, 또는 이중별일 경우 어떤 영향을 받는지, 그리고 고밀도의 별무리 내에서 어떤 역학적 영향을 받는지에 대한 수많은 질문의 답을 찾는데 도움을 주었다.

 

[2] 이번 연구에서 VFTS 352의 밝기 역시 측정되었는데 밝기 측정 기간은 OGLE 서베이의 일환으로 12년이 넘는 기간동안 이루어졌다.

 

[3] 두 별 모두 O 유형의 별로 분류된다. 
이 유형에 속하는 별의 질량은 태양 질량의 15배에서 80배 이며 그 밝기는 태양 밝기의 백만 배를 초과할 수도 있다. 
또한 이 유형의 별들은 청백색으로 밝게 빛나는 대단히 뜨거운 별이며 그 표면 온도는 섭씨 3만도 이상이다.

 

[4] 이 별들을 둘러싸고 있는 지역은 "로시잎사귀(Roche lobes)"라는 이름으로 알려져 있다.

VFTS 352와 같이 서로 맞닿아 있는 이중별은 자신을 둘러싼 로시잎사귀를 넘치도록 채우게 된다. 

 

[5] 감마선 폭발(Gamma-ray Bursts, GRBs)은 고에너지 감마선을 뿜어내며 이렇게 방출된 감마선이 지구 궤도를 돌고 있는 위성에 의해 포착된다. 
감마선의 폭발에는 두 가지 종류가 있다. 하나는 수초 이하로 나타나는 짧은 감마선 폭발이며 다른 하나는 수 초 이상 지속되는 장시간 감마선 폭발이다. 
장기간 감마선 폭발이 상대적으로 더 자주 나타나며 이 폭발은 고에너지 초신성 폭발과 연관이 있는 무거운 별의 최후를 알려주는 표식일 것으로 생각되고 있다.

 

[6] 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예견된 중력파는 시공간의 구조에 생기는 파동을 말한다. 
중력파는 두 개 블랙홀 충돌과 같은 사건이 일어날 때 강력한 중력장의 요동으로부터 발생한다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2015년 10월 21일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1540/
        

참고 : VFTS 352를 비롯한 다양한 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

 

원문>

eso1540 — Science Release

Final Kiss of Two Stars Heading for Catastrophe

VLT finds hottest and most massive touching double star

21 October 2015

Using ESO’s Very Large Telescope, an international team of astronomers have found the hottest and most massive double star with components so close that they touch each other. The two stars in the extreme system VFTS 352 could be heading for a dramatic end, during which the two stars either coalesce to create a single giant star, or form a binary black hole.

The double star system VFTS 352 is located about 160 000 light-years away in the Tarantula Nebula [1]. This remarkable region is the most active nursery of new stars in the nearby Universe and new observations from ESO’s VLT [2] have revealed that this pair of young stars is among the most extreme and strangest yet found.

VFTS 352 is composed of two very hot, bright and massive stars that orbit each other in little more than a day. The centres of the stars are separated by just 12 million kilometres [3]. In fact, the stars are so close that their surfaces overlap and a bridge has formed between them. VFTS 352 is not only the most massive known in this tiny class of “overcontact binaries” — it has a combined mass of about 57 times that of the Sun — but it also contains the hottest components — with surface temperatures above 40 000 degrees Celsius.

Extreme stars like the two components of VFTS 352, play a key role in the evolution of galaxies and are thought to be the main producers of elements such as oxygen. Such double stars are also linked to exotic behaviour such as that shown by “vampire stars”, where a smaller companion star sucks matter from the surface of its larger neighbour (eso1230).

In the case of VFTS 352, however, both stars in the system are of almost identical size. Material is, therefore, not sucked from one to another, but instead may be shared [4]. The component stars of VFTS 352 are estimated to be sharing about 30 per cent of their material.

Such a system is very rare because this phase in the life of the stars is short, making it difficult to catch them in the act. Because the stars are so close together, astronomers think that strong tidal forces lead to enhanced mixing of the material in the stellar interiors.

“The VFTS 352 is the best case yet found for a hot and massive double star that may show this kind of internal mixing,” explains lead author Leonardo A. Almeida of the University of São Paulo, Brazil. “As such it’s a fascinating and important discovery.”

Astronomers predict that VFTS 352 will face a cataclysmic fate in one of two ways. The first potential outcome is the merging of the two stars, which would likely produce a rapidly rotating, and possibly magnetic, gigantic single star. “If it keeps spinning rapidly it might end its life in one of the most energetic explosions in the Universe, known as a long-duration gamma-ray burst,” says the lead scientist of the project, Hugues Sana, of the University of Leuven in Belgium [5].

The second possibility is explained by the lead theoretical astrophysicist in the team, Selma de Mink of University of Amsterdam: “If the stars are mixed well enough, they both remain compact and the VFTS 352 system may avoid merging. This would lead the objects down a new evolutionary path that is completely different from classic stellar evolution predictions. In the case of VFTS 352, the components would likely end their lives in supernova explosions, forming a close binary system of black holes. Such a remarkable object would be an intense source of gravitational waves.”

Proving the existence of this second evolutionary path [6] would be an observational breakthrough in the field of stellar astrophysics. But, regardless of how VFTS 352 meets its demise, this system has already provided astronomers with valuable new insights into the poorly understood evolutionary processes of massive overcontact binary star systems.

Notes

[1] This star’s name indicates that it was observed as part of the VLT FLAMES Tarantula Survey, which utilised the FLAMES and GIRAFFE instruments on ESO’s Very Large Telescope (VLT) to study over 900 stars in the 30 Doradus region of the Large Magellanic Cloud (LMC). The survey has already led to many exciting and important findings including the fastest rotating star (eso1147), and an extremely massive solitary runaway star (eso1117). It is helping to answer many fundamental questions concerning how massive stars are affected by rotation, binarity and the dynamics in dense star clusters.

[2] This study also used brightness measurements of VFTS 352 over a period of twelve years made as part of the OGLE survey.

[3] Both components are classed as O-type stars. Such stars are typically between 15 and 80 times more massive than the Sun and can be up to a million times brighter. They are so hot that they shine with a brilliant blue-white light and have surface temperatures over 30 000 degrees Celsius.

[4] These regions around the stars are known as Roche lobes. In an overcontact binary such as VFTS 352 both stars overfill their Roche lobes.

[5] Gamma-ray Bursts (GRBs) are bursts of highly energetic gamma rays that are detected by orbiting satellites. They come in two types — short duration (shorter than a few seconds), and long duration (longer than a few seconds). Long-duration GRBs are more common and are thought to mark the deaths of massive stars and be associated with a class of very energetic supernova explosions.

[6] Predicted by Einstein’s theory of general relativity, gravitational waves are ripples in the fabric of space and time. Significant gravitational waves are generated whenever there are extreme variations of strong gravitational fields with time, such as during the merger of two black holes.

More information

This research was presented in a paper in entitled “Discovery of the massive overcontact binary VFTS 352: Evidence for enhanced internal mixing”, by L. Almeida et al., in the Astrophysical Journal.

The team is composed of L.A. Almeida (Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA; Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, Brazil), H. Sana (STScI, Baltimore, Maryland, USA; KU Leuven, Belgium), S.E. de Mink (University of Amsterdam, Netherlands), F. Tramper (University of Amsterdam, Netherlands), I. Soszynski (Warsaw University Observatory, Poland), N. Langer (Universität Bonn, Germany), R.H. Barbá (Universidad de La Serena, Chile), M. Cantiello (University of California, Santa Barbara, USA), A. Damineli (Universidade de São Paulo, Brazil), A. de Koter (University of Amsterdam, Netherlands; Universiteit Leuven, Belgium), M. Garcia (Centro de Astrobiologa (INTA-CSIC), Spain), G. Gräfener (Armagh Observatory, UK), A. Herrero (Instituto de Astrofísica de Canarias, Spain; Universidad de La Laguna, Spain), I. Howarth (University College London, UK), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiologa (INTA-CSIC), Spain), C. Norman (Johns Hopkins University, USA), O.H. Ramírez-Agudelo (University of Amsterdam, Netherlands) and J.S. Vink (Armagh Observatory, UK).

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 published in the Astrophysical Journal
• Freely accessible preprint of the research paper
• Photos of the VLT

Contacts

Leonardo Almeida
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG/USP)
São Paulo, Brazil
Tel: +55 011 3091 2818
Email: leonardodealmeida.andrade@gmail.com

Hugues Sana
University of Leuven
Leuven, Belgium
Tel: +32 (0) 16 32 19 36
Email: hugues.sana@kuleuven.be

Selma de Mink
University of Amsterdam
Amsterdam, The Netherlands
Tel: +31 (0) 6 11 12 15 13
Email: S.E.deMink@uva.nl

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