WD 1145+017 : 미행성을 증발시키고 있는 백색 난쟁이별

2015. 11. 3. 01:213. 천문뉴스/케플러 Mission

 

Credits: CfA/Mark A. Garlick

 

그림 1> 이 상상화는 백색 난쟁이별 주위를 공전하며 증발되고 있는 작은 암석질 천체를 그린 것이다.
천문학자들이 K2 미션의 관측 데이터로부터 백색 난쟁이별의 전면을 지나는 행성형 천체를 처음으로 식별해냈다.
이 천체는 천천히 파괴되면서 백색 난쟁이별의 표면에 먼지가 된 물질들을 남기게 될 것이다. 

케플러 우주망원경의 재활용 미션인 K2 미션을 통해 과학자들이 백색 난쟁이별을 나선형으로 돌며 산산히 부서지고 있는 작은 암석질 천체의 강력한 증거를 발견했다.

이번 발견은 백색 난쟁이별이 행성계 내에서 살아남은 행성 잔해를 집어삼킬 수 있다는, 오랜동안 이론으로만 남아 있던 가설을 확인해 준 계기가 되었다.

 

네이처에 개재된 논문의 주저자인 하바드-스미스소니언 천체물리센터의 대학원생 앤드류 반더버그(Andrew Vanderburg)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 강력한 중력에 의해 파괴되며 별빛에 의해 증발을 겪는 한편, 백색 난쟁이별에 암석질의 비를 뿌리게 만드는 작은 '행성'을 처음으로 증언할 수 있게  되었습니다."

 

우리 태양과 같은 별이 나이를 먹으면 몸집이 부풀어 올라 적색 거성이 되고 이후 전체 질량의 반 정도를 잃으며 원래 크기의 100분의 1 정도로 줄어 거의 지구와 같은 크기로 가라앉게 된다.

이렇게 남겨진 고밀도의 죽은 별을 백색 난쟁이별이라 한다.

 

이 와중에 황폐화된 미행성이나 먼지와 암석, 그리고 다른 물질이 뒤섞여 형성된 천체의 크기는 대략 큰 몸집의 소행성 크기 정도로 측정되며 이 행성과 같은 천체가 백색 난쟁이 별의 전면을 가로지르는 모습이 처음으로 확정되었다.
 

이 천체는 백색 난쟁이별 WD 1145+017을 매 4.5시간마다 공전하고 있다.
이러한 공전 궤도는 이 천체가 백색 난쟁이 별에 대단히 가깝게 붙어 있어 그 열기에 불타며 중력에 의해 쥐어짜이고 있음을 의미하는 것이다.

 

2014년 5월 30일부터 8월 21일까지 K2 가 처음으로 관측을 진행하는 동안 케플러 우주망원경은 처녀자리를 바라보도록 조정되었으며 당시 멀리 떨어진 백색 난쟁의별의 밝기가 미묘하게 변하고 있다는 것이 포착되었다.

케플러가 바라보는 각도에서 어떤 특정 물체가 별의 전면을 지나면서 별빛이 급격하게 떨어지는 양상이 기록된 것이다.
주기적으로 나타나는 별빛의 감소 양상은 이 별을 공전하고 있는 물체가 있음을 말해주는 것이었다.

 

반더버그가 이끄는 연구팀은 이 독특하지만 약간은 익숙한 패턴을 보이는 데이터에 주목하였다.

 

매 4.5시간마다 백색 난쟁이 별빛의 40퍼센트 만큼의 밝기가 현저하게 줄어드는 양상이 나타났지만 이 작은 행성이 별의 전면을 지나며 만들어내는 신호는 전형적으로 대칭을 이루는 U자 모양의 패턴과는 다르게 나타났다.

이러한 결과는 비대칭의 길쭉한 모양의 천체가 만들어내는 패턴이었는데 이는 백색 난쟁이별의 전면을 지나는 천체가 혜성과 같은 꼬리를 가지고 있음을 의미하는 것이었다.

 

 

Credits: CfA/A. Vanderburg

 

표1> 이 표는 빛의 변화 양상을 보여주고 있다.
붉은색 선은 가설상의 지구와 같은 행성이 별의 전면을 지날 때 나타나는 빛의 변화 양상을 보여주고 있으며, 파란색 선은 파괴가 진행중인 작은 행성이나 
혜성처럼 먼지 꼬리를 거느리고 있는 천체처럼 비대칭적인 형태의 천체로 만들어지는 빛의 변화 양상을 보여주고 있다.

검은 색 점은 K2 미션에 의해 관측된 WD 1145+017 의 빛 변화 측정치이다.

 

이러한 모든 특징들은 백색 난쟁이별 주위를 휘감아 도는 먼지 잔해의 고리가 있음을 말해주는데 한편 이것은 증발되고 있는 작은 행성의 신호일 가능성도 있다.

 

반더버그의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견에서 깨닳음의 순간은 마지막 관측 중 갑작스럽게 찾아왔습니다. 이 백색 난쟁이별 주변에서 무슨 일이 벌어지고 있었떤 것인지를 알게 된 것이죠.
식 과정에서 나타나는 형태와 깊이의 변화는 부정할 수 없는 신호였습니다."

 

특이한 모양을 나타내는 식그래프에서 반더버그와 그의 동료들은 이론에서 예견된대로 WD 1145+017 의 대기를 오염시키고 있는 무거운 원소들의 흔적을 찾아냈다.

 

강력한 중력으로 인해 백색 난쟁이별은 오로지 헬륨가 수소와 같은 가벼운 원소들로 뒤덮인, 화학적으로 순수한 표면 상태를 가지고 있을 것으로 예측되고 있다.
그러나 지난 몇 년동안 과학자들은 백색 난쟁이별의 대기가 칼슘이나 실리콘, 마그네슘이나 철과 같은 무거운 원소들의 흔적으로 오염되어 있다는 증거를 발견해왔다.
과학자들은 오랫동안 이러한 오염을 만들어낸 근원으로서 백색 난쟁이별의 강력한 중력에 의해 파괴된 소행성이나 작은 행성들의 존재를 의심해왔다.

 

이 별들의 대기 성분 분석은 아리조나 대학의 MMT 천문대에서 주도해왔다.

 

SETI와 NASA 에임스 연구센터의 K2 과학자인 퍼겔 멀렐리(Fergal Mullally)의 소감은 다음과 같다.
"지난 1여년 동안 우리는 백색 난쟁이별이 암석질 천체의 잔해를 집어삼키고 있다고 의심해왔습니다.
이번 연구 결과는 우리가 찾아헤매던 그 증거일지도 모릅니다.
그러나 이 계의 역사를 규명하기 위해서는 보다 더 많은 작업이 필요합니다."

 

에임스 연구소의 K2 프로젝트 과학자인 스티프 호웰( Steve Howell)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 K2의 관측능력과 K2의 데이터가 가져다 줄 수 있는 새로운 발견의 우연성을 보여주는 것이라 할 수 있습니다.
K2의 관측 자료는 과학계에 완전히 개방되어 있으며 과학자들은 이 데이터를 이용하여
천체물리현상 전영역에 걸치 독특한 발견을 다양하게 이뤄낼 수 있습니다."
 
출처 : NASA - Kepler Mission News Release 2015년 10월 21일자
        
http://www.nasa.gov/ames/kepler/nasa-k2-finds-dead-star-vaporizing-mini-planet

 

참고 : WD 1145+017을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

NASA’s K2 Finds Dead Star Vaporizing a Mini “Planet”

Scientists using NASA’s repurposed Kepler space telescope, known as the K2 mission, have uncovered strong evidence of a tiny, rocky object being torn apart as it spirals around a white dwarf star. This discovery validates a long-held theory that white dwarfs are capable of cannibalizing possible remnant planets that have survived within its solar system.

 

“We are for the first time witnessing a miniature “planet” ripped apart by intense gravity, being vaporized by starlight and raining rocky material onto its star,” said Andrew Vanderburg, graduate student from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, and lead author of the paper published in Nature.

As stars like our sun age, they puff up into red giants and then gradually lose about half their mass, shrinking down to 1/100th of their original size to roughly the size of Earth. This dead, dense star remnant is called a white dwarf.

 

The devastated planetesimal, or cosmic object formed from dust, rock, and other materials, is estimated to be the size of a large asteroid, and is the first planetary object to be confirmed transiting a white dwarf. It orbits its white dwarf, WD 1145+017, once every 4.5 hours. This orbital period places it extremely close to the white dwarf and its searing heat and shearing gravitational force.

During its first observing campaign from May 30, 2014 to Aug. 21, 2014, K2 trained its gaze on a patch of sky in the constellation Virgo, measuring the minuscule change in brightness of the distant white dwarf. When an object transits or passes in front of a star from the vantage point of the space telescope, a dip in starlight is recorded. The periodic dimming of starlight indicates the presence of an object in orbit about the star.

A research team led by Vanderburg found an unusual, but vaguely familiar pattern in the data. While there was a prominent dip in brightness occurring every 4.5 hours, blocking up to 40 percent of the white dwarf's light, the transit signal of the tiny planet did not exhibit the typical symmetric U-shaped pattern. It showed an asymmetric elongated slope pattern that would indicate the presence of a comet-like tail. Together these features indicated a ring of dusty debris circling the white dwarf, and what could be the signature of a small planet being vaporized.

 

“The eureka moment of discovery came on the last night of observation with a sudden realization of what was going around the white dwarf. The shape and changing depth of the transit were undeniable signatures,” said Vanderburg.

 

 

In addition to the strangely shaped transits, Vanderburg and his team found signs of heavier elements polluting the atmosphere of WD 1145+017, as predicted by theory.

Due to intense gravity, white dwarfs are expected to have chemically pure surfaces, covered only with light elements of helium and hydrogen. For years, researchers have found evidence that some white dwarf atmospheres are polluted with traces of heavier elements such as calcium, silicon, magnesium and iron. Scientists have long suspected that the source of this pollution was an asteroid or a small planet being torn apart by the white dwarf's intense gravity.

 

Analysis of the star's atmospheric composition was conducted using observations made by the University of Arizona's MMT Observatory. 

“For the last decade we’ve suspected that white dwarf stars were feeding on the remains of rocky objects, and this result may be the smoking gun we’re looking for,” said Fergal Mullally, staff scientist of K2 at SETI and NASA’s Ames Research Center in Moffett Field, California. “However, there's still a lot more work to be done figuring out the history of this system.”

 

“This discovery highlights the power and serendipitous nature of K2. The science community has full access to K2 observations and is using these data to make a wide range of unique discoveries across the full range of astrophysics phenomena,” said Steve Howell, K2 project scientist at Ames.

 

Ames manages the Kepler and K2 missions for NASA’s Science Mission Directorate. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, managed Kepler mission development. Ball Aerospace & Technologies Corporation operates the flight system with support from the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder.

 

For more information about the Kepler and K2 missions, visit:

 

http://www.nasa.gov/kepler

 

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