행성의 존재를 말해주는 원시행성원반의 나선 구조

 

Photo Credit: NASA, ESA, ESO, M. Benisty et al. (University of Grenoble), R. Dong (Lawrence Berkeley National Laboratory), and Z. Zhu (Princeton University)

 

사진 1> (오른쪽)ESO 초대형 망원경으로 관측한 MWC 758과 그 주변의 원시행성원반의 모습
이 원반에는 별로부터 160억 킬로미터까지 펼쳐진 두 개의 나선팔이 있다.
(왼쪽) 컴퓨터 모델링을 통해 재연해낸 두 개의 나선팔 구조이다. X표시가 바로 행성이 존재할 것으로 추정된 지역이다.
이 행성은 직접적으로 관측을 할 수는 없는 상태지만 이 두개 나선팔을 만든 원인이 되었을 것이다.

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 태어난지 수백만 년 정도밖에 되지 않는 어린 별 주변의 거대한 나선 패턴을 통해 눈에는 보이지 않는 거대행성이 존재한다는 증거를 찾을 수 있을 것으로 내다봤다.
이러한 발상은 단순히 행성을 찾아내는 새로운 방법을 제시하는 것일뿐만 아니라 행성이 예상보다 빠르게 형성된다는 점을 시사하는 것이다.

 

현대의 천문학자들은 다른 별 주위를 도는 외계 행성의 목록을 일천 개 이상 확보하고 있지만, 형성 초기에 있는 행성의 경우는 원시행성원반이라고 알려진, 새로 탄생한 별 주위를 휘감아도는 방대한 가스와 먼지 원반에 파묻혀 있기 때문에 그 존재를 알기가 쉽지 않다.

 

행성이 자신의 존재를 원시행성원반의 모습을 다르게 바꾸면서 드러낸다는 이 결론은 갓태어난 별 주위에서 가스와 먼지 원반이 어떻게 생성되고 진화하는지에 대한 상세한 컴퓨터 모델링을 근거로 제시된 것으로 NASA 연구원인 버클리 국립 연구소의 동루오빙(Ruobing Dong)과 프린스턴 대학의 주자오환(Zhaohuan Zhu)에 의해 제시되었다.

 

이들의 연구보고서는 2015년 8월 5일 아스트로피지컬 저녈에 개재되었다.

 

동루오빙의 설명은 다음과 같다.
"어린 별을 감싸고 있는 밝은 먼지 원반에서 행성의 존재를 추정하는 것은 대단히 어려운 일입니다.
이번 연구는 행성이 반드시 원반구조 상에 중력을 통한 영향을 행사할 것이라는 확신을 근거로 진행되었습니다.
만약 원반 내에서 어떤 구조를 식별할 수 있고, 그 대상이 그 기저부에 존재하는 행성에 의해 만들어진 것이라는 걸 확신한다면 눈에는 보이지 않더라도 이는 행성이 형성되고 있음을 말해주는 명백한 증거가 될 수 있을 것입니다."
 

행성에 의해 형성된 거대한 규모의 구조물을 식별하는 것은 행성을 탐사하는 방법에 있어 현재 사용되고 있는 다른 기술과는 완전히 다른 방법이 수립될 수 있음을 말해주는 것이다.

이러한 접근은 천문학자들로 하여금 현재 형성이 진행중인 행성을 찾는데 있어, 그리고 행성이 언제, 어떻게, 어디에서 형성되었는지를 알아내는데 있어 도움을 주게 될 것이다.

 

다른 원시행성원반에서 목격되는 간극이나 고리는 그 원반 내에 눈에 보이지 않는 행성이 존재함을 말해준다.
그러나 아마도 행성의 중력에 의해 먼지가 쓸려나가면서 만들어졌을 가능성이 있는 이 간극은 행성의 정확한 위치를 말해주지는 않는다.
또한 여러 개의 행성이 함께 하나의 간극을 만들 수 있기 때문에 행성의 숫자와 질량을 측정하는 것도 매우 어려운 도전과제이기도 하다.

 

지상에 위치한 망원경들을 이용하여 SAO 206462 와 MWC 758 이라는 두 개의 어린 별 주위를 감싸고 있는 거대한 규모의 나선팔을 촬영했는데

관측의 대상이 된 별 근처에 있는 또다른 별들에서도 작은 규모의 비슷한 나선 구조가 발견되었다.

 

동루오빙의 소감은 다음과 같다.
"어떻게 이런 구조가 만들어져는지는 지금까지 크나큰 수수께끼였습니다.
과학자들은 이러한 구조를 설명하기가 정말 쉽지않은 시간들을 보냈죠."
 
만약 원반이 매우 무거운 질량을 가지고 있다면 이들은 자체 중력에 의해 불안정해지고 파동과 같은 패턴이 형성될 것이다.
그러나 SAO 206462 와 MWC 758 주위를 둘러싼 원반은 중심에 자리잡고 있는 별의 수 퍼센트 수준에 지나지 않는 것으로 예측되었으며 따라서 중력적으로 불안정한 상태도 아니었다.

 

연구팀은 이 원반의 역학에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 어떻게 별의 복사가 행성이 파묻혀 있는 원반에 전달되는지를 시연하였다.
이러한 모델링의 결과 관측에서 나타난 것과 상당히 유사한 나선 구조가 만들어졌다.

 

원반과 행성간의 상호중력 중간 지점에서 마치 고속도로에 차들이 몰려들어 정체가 발생하는 것처럼 가스와 먼지가 고밀도로 쌓이는 지역이 만들어진 것이다.
별 주위 원반의 차별적 자전양상은 고밀도로 먼지와 가스가 뭉쳐진 지역을 나선형으로 나타나게 만든다.

 

주자오환의 설명은 다음과 같다.
"행성들이 나선팔을 만들 수 있으리라는 것은 예전에도 추정되긴 했지만  지금 우리는 그것이 어떻게 만들어지를 알게 되었다고 생각합니다.
시뮬레이션은 이 나선팔이 눈에 보이지 않는 행성에 대한 풍부한 정보를 가지고 있다고 말해주고 있는데 여기에는 그 위치뿐만 아니라 질량에 대한 정보도 포함되어 있죠."

 

이 시뮬레이션은 만약 행성이 존재하지 않는다면 먼지 원반 자체가 균일하게 보일 것이라는 점을 말해주고 있다.

사진 2> MWC 758,  Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI), Acknowlegment: NASA, ESA, ESO, M. Benisty et al. (University of Grenoble), R. Dong (Lawrence Berkeley National Laboratory), and Z. Zhu (Princeton University)

 

SAO 206462 와 MWC 758 에서 목격되는 것과 같은 장대한 크기의 나선팔이 만들어지려면 이 눈에 보이지 않는 행성의 질량은 우리 태양계에서 가장 거대한 행성인 목성 질량의 최소 10배는 되어야 한다.

일반적인 별 주위를 공전하는 행성이 처음으로 식별된 것은 1995년이다.
그리고 지금까지 수천개의 외계행성이 발견되었다.
지상에서 외계행성 탐사 작업에 투입된 망원경들과 NASA 케플러 미션에 감사를 드리지 않을 수 없다.
그러나 그 연령이 수백만년에서 수십억년에 이르는 성숙한 행성계에서는 애초에 이들이 어떻게 형성되었는지에 대한 직접적인 증거는 거의 찾을 수 없다.

 

동루오빙의 설명은 다음과 같다.
"행성이 어떻게 형성되었는지에 대해서는 여러 이론이 존재합니다.
그러나 이러한 이론들을 확증해주는 직접적인 관측 증거는 거의 존재하지 않죠.
그런데 만약 원반 상의 행성의 흔적을 볼 수 있다면 이것은 곧바로 행성이 언제, 어떻게, 어디서 형성되는지를 말해주는 것입니다."

 

천문학자들은 향후 NASA 제임스웹우주망원경을 이용하여 이번 모델링에서 재연된대로 원시행성원반과 그 속에 있는 구조물들을 관측할 것이다.
그리고 이 고밀도 파동을 만들어낸 이론상의 행성을 직접적으로 관측하기 위해 노력할 것이다.
 

 
출처 : 허블사이트 2015년 10월 29일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/40/

 

참고 : 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346973

      

원문>

News Release Number: STScI-2015-40

Spirals in Dust Around Young Stars May Betray Presence of Massive Planets

A team of astronomers is proposing that huge spiral patterns seen around some newborn stars, merely a few million years old (about one percent our sun's age), may be evidence for the presence of giant, unseen planets. This idea not only opens the door to a new method of planet detection, but also could offer a look into the early formative years of planet birth.

Though astronomers have cataloged thousands of planets orbiting other stars, the very earliest stages of planet formation are elusive because nascent planets are born and embedded inside vast, pancake-shaped disks of dust and gas encircling newborn stars, known as circumstellar disks.

The conclusion that planets may betray their presence by modifying circumstellar disks on large scales is based on detailed computer modeling of how gas-and-dust disks evolve around newborn stars, which was conducted by two NASA Hubble Fellows, Ruobing Dong of Lawrence Berkeley National Laboratory, and Zhaohuan Zhu of Princeton University. Their research was published in the Aug. 5 edition of The Astrophysical Journal Letters.

"It's difficult to see suspected planets inside a bright disk surrounding a young star. Based on this study, we are convinced that planets can gravitationally excite structures in the disk. So if you can identify features in a disk and convince yourself those features are created by an underlying planet that you cannot see, this would be a smoking gun of forming planets," Dong said.

Identifying large-scale features produced by planets offers another method of planet detection that is quite different from all other techniques presently used. This approach can help astronomers find currently forming planets, and address when, how, and where planets form.

Gaps and rings seen in other circumstellar disks suggest invisible planets embedded in the disk. However gaps, presumably swept clean by a planet's gravity, often do not help show the location of the planet. Also, because multiple planets together may open a single common gap, it’s very challenging to estimate their numbers and masses.

Ground-based telescopes have photographed two large-scale spiral arms around two young stars, SAO 206462 and MWC 758. A few other nearby stars also show smaller spiral-like features. "How they are created has been a big mystery until now. Scientists had a hard time explaining these features," Dong said. If the disks were very massive, they would have enough self-gravity to become unstable and set up wave-like patterns. But the disks around SAO 206462 and MWC 758 are probably just a few percent of the central star's mass and therefore are not gravitationally unstable.

The team generated computer simulations of the dynamics of a disk and how a star's radiation propagates through a disk with embedded planets. This modeling created spiral structures that very closely resemble observations. The mutual gravitational interaction between the disk and the planet creates regions where the density of gas and dust increases, like traffic backing up on a crowded expressway. The differential rotation of the disk around the star smears these over-dense regions into spiral waves. "Although it had been speculated that planets can produce spiral arms, we now think we know how," said Zhu.

"Simulations also suggest that these spiral arms have rich information about the unseen planet, revealing not only its position but also its mass," Zhu said. The simulations show that if there were no planet present, the disk would look smooth. To make the grand-scale spiral arms seen in the SAO 206462 and MWC 758 systems, the unseen planet would have to be bulky, at least 10 times the mass of Jupiter, the largest planet in our solar system.

The first planet orbiting a normal star was identified in 1995. Thanks to ground-based telescopes and NASA's Kepler mission, a few thousand exoplanets have been cataloged to date. But because the planets are in mature systems, many millions or a few billion years old, they offer little direct clues as to how they formed.

"There are many theories about how planets form but very little work based on direct observational evidence confirming these theories," Dong said. "If you see signs of a planet in a disk right now, it tells you when, where, and how planets form."

Astronomers will use the upcoming NASA James Webb Space Telescope to probe circumstellar disks and look for features, as simulated by the modeling, and will then try to directly observe the predicted planet causing the density waves.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

Ruobing Dong
Lawrence Berkeley National Laboratory, and University of California, Berkeley, California
rdong2013@berkeley.edu

Zhaohuan Zhu
Princeton University, Princeton, New Jersey
zhzhu@astro.princeton.edu