2015. 12. 26. 00:40ㆍ3. 천문뉴스/ESA 허블
그림 1> 천문학자들이 ALAM를 이용하여 갓 탄생한 4 개의 어린 별 주위의 가스와 먼지 원반의 간극 상에서 다른 점을 보이는 흔적을 발견하였다.
이번 관측은 원반 상에서 최근에 형성된 목성의 수 배 질량을 가진 행성들에 대한 최상의 관측 결과이기도 하다.
천문학자들이 ALMA를 이용하여 갓태어난 별들 주위를 둘러싼 가스와 먼지 원반에서 최근 형성된 목성의 수 배 질량을 가진 행성들에 대한 명백한 최상의 증거들을 발견했다.
이 별들을 둘러싸고 있는 가스의 각종 측정치는 이 행성들의 속성에 대한 추가적인 단서들을 제공해주고 있다.
거의 모든 별 주위에는 행성이 존재한다. 그러나 천문학자들은 행성들이 어떤 조건 하에서 형성되는지에 대해 완전히 이해하지 못하고 있다.
이와 같은 질문에 대답하기 위해 과학자들은 어린 별들 주위를 둘러싸고 있으면서 행성을 만들어내는 가스와 먼지 원반의 회전을 연구하고 있다.
그러나 이 원반들은 너무나 작고 지구로부터 너무나 멀리 떨어져 있다.
바로 이것이 행성형성의 비밀을 풀기 위해 ALMA의 강력한 관측 성능이 필요한 이유이다.
전이 원반(transitional discs)이라 불리는 이 특정 유형의 원반은 놀랍게도 별이 위치하는 중심 지역은 텅 비어 있다.
이러한 수수께끼의 간극을 설명하는데는 두 가지 주요 가설이 있다.
첫 번째는 강력한 별폭풍과 복사가 별 주위의 물질들을 밀쳐내거나 파괴시켜 버렸다는 것이다.[1]
이에 반해 또다른 가설은 생성과정에 있는 무거운 질량의 갓 태어난 행성이 별 주위를 공전하면서 물질들을 청소한 결과일 것으로 예측하고 있다.[2]
네덜란드 라이든 천문대의 니엔케 반 더 마렐(Nienke van der Marel)이 이끄는 연구팀은 전대미문의 감도와 해상도를 가진 ALMA를 이용하여 4 개의 전이원반에서 가스와 먼지의 분포에 대한 최상의 지도를 그려낼 수 있었다.[3]
그 결과 원반상의 간극을 만드는 원인에 대한 두 가지 가설에서 처음으로 하나를 선택할 수 있게 되었다.
이번에 새로 촬영된 사진들은 먼지 간극 안에 존재하는 현저한 양의 가스를 보여주고 있다. [4]
그러나 연구팀을 놀라게 한 것은 가스들 역시 먼지들보다 3배 정도 작은 규모로 간극을 형성하는 와중에 있다는 것이었다.
이러한 사실은 새로 형성된 무거운 행성들이 별 주위를 돌면서 가스를 청소해낸다는 시나리오에 의해서만 설명이 가능한 결과이다.
행성에 포섭된 먼지 입자는 훨씬 더 멀리까지 내쳐진다.[5].
그림 2> 이 그림은 먼지(갈색)와 가스(파란색)가 별 주위에 어떻게 분포하는지, 그리고 갓 태어난 행성이 어떻게 중심의 간극을 만들어내는지를 보여주고 있다.
니엔케 반 더 마렐의 설명은 다음과 같다.
"먼지 간극 안에 가스가 존재한다는 것은 익히 그 단서가 존재하고 있었습니다.
그러나 ALMA는 다른 관측 기구들보다 훨씬 세밀하게 전체 원반 상에 존재하는 물질들을 담아낼 수 있죠.
이를 이용하여 우리는 다른 가설을 배제할 수 있었습니다.
이 깊은 간극이 말해주는 것은 이곳에 목성 질량의 여러 배에 상관되는 행성들이 존재한다는 것이며 이들이 원반을 휩쓸며 간극을 만들고 있다는 것입니다."
인상적인 것은 이번 관측이 칠레 북부 차이난토르 고원에서 ALMA가 한찬 건설되던 당시 전체 배열의 반 정도가 구축된 상태에서 진행되어 ALMA가 보유한 분해능의 10분의 1만을 활용하여 이루어졌다는 점이다.
비록 ALMA 관측을 통해 행성 형성의 복잡한 과정에 대한 값진 통찰을 얻을 수는 있었으나 다른 전이원반들도 행성에 의한 간극 형성 모델에 적합한지를 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.
라이든 대학 및 막스플랑크 외계행성물리학연구소의 에빈 반 디쇼크( Ewine van Dishoeck)의 설명은 다음과 같다.
"모든 전이원반들은 거대한 먼지 간극과 함께 거대한 가스 간극도 가지고 있다는 사실은 지금까지 연구된 바입니다.
이제는 ALMA를 이용하여 이 원반상의 어느 부분에서 언제 거대 행성들이 형성되는지를 알 수 있게 되었죠.
그리고 그 결과를 행성 형성 모델과 비교할 수 있게 되었습니다.
현재의 장비는 이제 막 외계행성에 대한 직접적인 관측을 시작하고 있죠.
차후 유럽 초대형 망원경(the European Extremely Large Telescope)과 같은 차세대 망원경들이 완성되면 훨씬 더 멀리까지 관측이 가능할 겁니다.
ALMA는 바로 이 차세대 망원경들이 바라볼 필요가 있는 곳을 지목해주고 있는 것입니다."
사진 1> 이 사진은 HD 135344B 라는 어린 별의 주위를 둘러싸고 있는 먼지(주황색)와 가스상 물질(파란색)의 사진을 합성한 것이다.
가스의 안쪽으로 보이는 작은 구멍이 이 지역을 깨끗이 쓸어낸 갓태어난 행성의 존재를 말해주는 단서이다.
사진 하단에 있는 막대는 해왕성 공전궤도 지름을 표시한 것으로 그 길이는 60AU이다.
사진 2> 이 사진은 DoAr 44 라는 어린 별의 주위를 둘러싸고 있는 먼지(주황색)와 가스상 물질(파란색)의 사진을 합성한 것이다.
가스의 안쪽으로 보이는 작은 구멍이 이 지역을 깨끗이 쓸어낸 갓태어난 행성의 존재를 말해주는 단서이다.
사진 하단에 있는 막대는 해왕성 공전궤도 지름을 표시한 것으로 그 길이는 60AU이다.
각주
[1] 안쪽에서 바깥쪽으로 먼지와 가스를 쓸어버리는 이러한 과정은 빛증발(photoevaporation)이라는 이름으로 알려져 있다.
[2] 이러한 역할을 하는 행성을 직접적으로 관측하기는 매우 어렵다. (https://www.eso.org/public/news/eso1310/)
예전에 수행된 적이 있는 밀리미터 파장의 관측은 이 먼지원반의 내부에서 이 가설을 검증할 수 있을만한 행성 형성 구역을 찾는 시도를 한 적이 있는데, 충분치 못한 해상도로 실패한 바 있다. (https://www.eso.org/public/news/eso1325/)
또다른 연구들을 통해서도 이 원반상의 가스 덩어리들을 측정하는데 실패한 바 있다.
[3] 이번 연구의 대상이 된 4 개의 원시행성원반을 거느린 별은 SR 21, HD 135344B ( SAO 206462로도 알려져 있다), DoAr 44, Oph IRS 48 이다.
[4] 전이원반에 존재하는 가스는 주로 수소로 구성되어 있으며 관측을 통해 일산화탄소 분자의 흔적도 찾아낼 수 있었다.
[5] 먼지 포착 과정은 예전 뉴스를 통해 설명된 바 있다. (https://www.eso.org/public/news/eso1325/)
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release 2015년 12월 16일자
http://www.eso.org/public/news/eso1549/
참고 : 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346973
원문>
eso1549 — Science Release
ALMA Reveals Planetary Construction Sites
New evidence for young planets in discs around young stars
16 December 2015
Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have found the clearest indications yet that planets with masses several times that of Jupiter have recently formed in the discs of gas and dust around four young stars. Measurements of the gas around the stars also provide additional clues about the properties of those planets.
Planets are found around nearly every star, but astronomers still do not fully understand how — and under what conditions — they form. To answer such questions, they study the rotating discs of gas and dust present around young stars from which planets are built. But these discs are small and far from Earth, and the power of ALMA was needed for them to reveal their secrets.
A special class of discs, called transitional discs, have a surprising absence of dust in their centres, in the region around the star. Two main ideas have been put forward to explain these mysterious gaps. Firstly, the strong stellar winds and intense radiation could have blown away or destroyed the encircling material [1]. Alternatively, massive young planets in the process of formation could have cleared the material as they orbit the star [2].
The unparalleled sensitivity and image sharpness of ALMA have now allowed the team of astronomers, led by Nienke van der Marel from the Leiden Observatory in the Netherlands to map the distribution of gas and dust in four of these transitional discs better than ever before [3]. This in turn has allowed them to choose between the two options as the cause of the gaps for the first time.
The new images show that there are significant amounts of gas within the dust gaps [4]. But to the team’s surprise, the gas also possessed a gap, up to three times smaller than that of the dust.
This could only be explained by the scenario in which newly formed massive planets have cleared the gas as they travelled around their orbits, but trapped the dust particles further out [5].
“Previous observations already hinted at the presence of gas inside the dust gaps,” explains Nienke van der Marel. “But as ALMA can image the material in the entire disc in much greater detail than other facilities, we could rule out the alternative scenario. The deep gap points clearly to the presence of planets with several times the mass of Jupiter, creating these caverns as they sweep through the disc.”
Remarkably, these observations were conducted utilising just one tenth of the current resolving power of ALMA, as they were performed whilst half of the array was still under construction on the Chajnantor Plateau in northern Chile.
Further studies are now needed to determine whether more transitional discs also point towards this planet-clearing scenario, although ALMA’s observations have, in the meantime, provided astronomers with a valuable new insight into the complex process of planetary formation.
“All the transitional discs studied so far that have large dust cavities also have gas cavities. So, with ALMA, we can now find out where and when giant planets are being born in these discs, and compare these results with planet formation models,” says Ewine van Dishoeck, also of Leiden University and the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching [6]. “Direct planetary detection is just within reach of current instruments, and the next generation telescopes currently under construction, such as the European Extremely Large Telescope, will be able to go much further. ALMA is pointing out where they will need to look.”
Notes
[1] This process, which clears the dust and gas from the inside out, is known as photoevaporation.
[2] Such planets are difficult to observe directly (eso1310) and previous studies at millimetre wavelengths (eso1325) have failed to achieve a sharp view of their inner, planet-forming zones where these different explanations could be put to the test. Other studies (eso0827) could not measure the bulk of the gas in these discs.
[3] The four targets of these investigations were SR 21, HD 135344B (also known as SAO 206462), DoAr 44 and Oph IRS 48.
[4] The gas present in transitional discs consists primarily of hydrogen, and is traced through observations of the carbon monoxide — or CO — molecule.
[5] The process of dust trapping is explained in an earlier release (eso1325).
[6] Other examples include the HD 142527 (eso1301 and here) and J1604-2130 transitional discs.
More information
This research was presented in a paper entitled “Resolved gas cavities in transitional disks inferred from CO isotopologs with ALMA”, by N. van der Marel, et al., to appear in Astronomy & Astrophysics in December 2015.
The team is composed of N. van der Marel (Leiden University, Leiden, the Netherlands; Institute for Astronomy, University of Hawaii, Honolulu, USA), E. F. van Dishoeck (Leiden University, Leiden, the Netherlands; Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), S. Bruderer (Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), S. M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Massachusetts, USA), K. M. Pontoppidan (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA), G. J. Herczeg (Peking University, Beijing, China), T. van Kempen (Leiden University, Leiden, the Netherlands) and A. Miotello (Leiden University, Leiden, the Netherlands).
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”.
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Contacts
Nienke van der Marel
Institute for Astronomy, University of Hawaii
Honolulu, USA
Email: nmarel@ifa.hawaii.edu
Ewine van Dishoeck
Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands
Tel: +31 71 527 5814
Email: ewine@strw.leidenuniv.nl
Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
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