다른 은하에서 용골자리 에타별의 쌍둥이를 찾아내다.

 

Credit: NASA, ESA, and R. Khan (GSFC and ORAU)

 

사진 1> 천문학자들이 대상 후보 천체들의 적외선 및 가시광선 상의 밝기를 비교하는 방법으로 4개의 은하에서 용골자리 에타별과 쌍둥이일 가능성이 있는 별들을 발견해냈다.
NASA 스피처 우주망원경으로 촬영한 적외선 사진들은 이 별들을 둘러싸고 있는 뜨거운 먼지의 존재를 말해주고 있다.
연구팀은 허블우주망원경에 탑재된 장비에 의해 측정된 가시광선 및 근적외선 파장의 밝기를 비교하여 용골자리 에타별과 같은 천체를 식별해낼 수 있었다.

상단 사진 : 스피처우주망원경의 IRAC 장비에 의해 촬영된 쌍둥이 에타별 후보천체의 3.6마이크론 사진들.
하단 사진 : 동일한 대상을 허블의 다양한 장비를 이용하여 800나노미터로 촬영한 사진들.

 

1만 광년 이내에서 가장 밝고 무거운 다중별인 용골자리 에타별은 19세기 중반에 거대한 분출이 관측된 별로서, 태양 질량의 최소 10 배에 달하는 엄청난 양의 물질을 우주 공간으로 쏟아내고 있다.
아직도 용골자리 에타별을 감싼 채로 팽창을 계속하고 있는 가스와 먼지의 베일은 이 별을 미리내에서 독특한 별로 만들어주고 있다.

 

그리고 지금 NASA 스피처 우주망원경과 허블 우주망원경의 기존 축적 데이터를 활용한 연구에서 사상 처음으로 다른 은하에 존재하는 유사한 천체 5개를 발견해냈다.

 

NASA 고다드 비행센터의 박사후 연구원이자 이번 연구의 수석 과학자인 러법 칸(Rubab Khan)은 가장 무거운 질량을 가진 별들은 대단히 드물지만 자신을 품고 있는 은하의 화학적, 물리적 진화에 큰 영향을 미쳐왔다고 말했다.

 

이러한 별들은 생명체에 필수적인 엄청난 양의 화학 원소들을 생성하여 우주 공간으로 뿌려내며 궁극적으로 초신성 폭발을 통해 삶을 마감하게 된다.

 

남반구 용골자리 방향으로 7,500 광년 거리에 위치하고 있는 용골자리 에타별(Eta Carinae)은 태양보다 5백만 배나 밝게 빛나는 별이다.
또한 이 별은 이중별로서 두 개의 무거운 별이 5.5광년이라는 빡빡한 간격을 유지한 채로 돌고 있다.

천문학자들은 이 중에서 더 무거운 별의 질량이 태양의 90 배 정도이고, 더 작은 별은 태양의 30배에 달하는 질량을 가지고 있는 것으로 추정하고 있다.

 

대단히 무거운 별을 연구할 수 있는 가장 가까운 연구실로서 용골자리 에타별은 1840년 분출이 발생한 이래 독보적이면서도 중요한 천문학적 시금석이 되어왔다.

 

왜 이러한 분출이 발생했고, 이 분출이 무거운 별의 진화와 어떤 관련성이 있는지를 알아내기 위해 천문학자들은 더많은 유사한 천체를 발견할 필요가 있었다.

 

대규모 폭발에 다가선 짧은 순간에 머물러 있는 별은 너무나 희귀해서 검불밭에서 바늘찾기마냥 어려운 일이고, 칸이 지금까지 수행한 연구에서도 용골자리 에타별과 같은 별은 전혀 발견해내지 못했었다.

 

공동연구자인 오하이오 주립대학의 천문학 교수 크지쉬토프 스타넥(Krzysztof Stanek)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 어딘가에 또다른 별이 있을 거라고 생각했습니다.
문제는 우리가 찾고자 하는 것을 얼마나 인내심을 가지고 찾아낼 수 있는가에 달려 있었죠."
 
칸은 오하이오 주립대학의 스콧 아담스(Scott Adams), 크리스토퍼 코차넥(Christopher Kochanek) 및 고다드 비행센터의 조지 소너번(George Sonneborn )과 함께 용골자리 에타별과 쌍둥이일 가능성이 있는 별, 간단하게 줄여서 이른바 쌍둥이 에타별(Eta twins)의 가시광 및 적외선 데이터 식별방법을 개발했다.

 

무거운 별로부터 뿜어져나온 가스에서는 먼지가 형성된다.
먼지는 별의 자외선 및 가시광선을 흐려지게 만들지만 이보다는 긴 중간 대역의 적외선을 흡수했다가 가열되면서 이를 되뱉어내게 된다.

 

칸의 설명은 다음과 같다.
'스피처우주망원경을 이용하여 우리는 3 마이크론에서 시작하여 지속적으로 밝기가 증가하다가 8~12 마이크론 사이에서 절정에 도달하는 양상을 관측했죠.
이것을 허블의 가시광선 데이터에서 보이는 흐려지는 양상과 비교했습니다.
그리고 이를 통해 얼마나 많은 먼지가 존재하는지 그리고 그 먼지의 양이 용골자리 에타별에서 관측되고 있는 먼지 양과 비교해서 어느 정도인지를 결정할 수 있었습니다."
 

2012년부터 2014년까지 진행된 7개 은하에 대한 최초 관측에서는 쌍둥이 에타별의 존재가 전혀 발견되지 않았다.
이는 이러한 유형의 별이 매우 희귀하다는 것을 재확인시켜주는 결과였다.

 

그러나 이 관측을 통해서는 발견한 흥미로운 사실은 보다 질량도 가볍고 밝기도 낮은 유형의 별을 식별해냈다는 것이었다.
이는 만약 용골자리 에타별과 같은 별이 실제로 존재한다면 이런 별을 발견해낼만한 감도는 충분하다는 것을 보여주는 것이었다.

 

연구팀은 2015년 진행된 후속 연구를 통해 1,500만 광년 거리의 M83에서 두 개의 후보 쌍둥이 에타별을 발견했으며, 1,800만 광년 및 2,600만 광년 거리의 NGC 6946과 M101, M51에서 각각 하나씩의 후보 쌍둥이 에타별을 발견했다.

 

 

Credit NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA) and R. Khan (GSFC and ORAU)

 

사진 2> 이 사진은 쌍둥이 에타별일 가능성이 있는 두 개 별을 품고 있는 은하 M83의 모습을 허블우주망원경이 촬영한 것이다.
이 은하는 왕성하게 새로운 별들을 만들어내고 있어 용골자리 에타별처럼 최근 폭발이 시작된 무거운 별을 찾을 가능성을 높여주고 있다.
하단 사진 : 쌍둥이 에타별 후보별들의 위치.

사진 출처 : http://www.spitzer.caltech.edu/images/6153-sig16-004--Eta-twins-in-Galaxy-M83

 

이 다섯 개의 천체들은 가시광선 및 적외선에서 나타나는 속성이 용골자리 에타별과 거의 유사한데, 이는 이 별들이 대단히 무거운 질량을 가지고 있으면서 태양 질량의 다섯배에서 열배에 달하는 가스와 먼지속에 파묻혀 있을 것이라는 점을 의미하는 것이었다.

 

추가 연구가 계속되면 천문학자들은 이 별들의 물리적 속성을 보다 정확하게 결정해낼 수 있을 것이다.
이번 발견은 2015년 12월 20일 발행된 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었다.

 

2018년 후반에 발사 예정인 NASA 제임스웹 망원경은 이와 같은 별들을 발견하고 연구하는데 최적화된 장비이다.

 

이 망원경의 중간 적외선 대역의 탐사 장비(The Mid-Infrared Instrument, MIRI)는 스피처 우주망원경에 장착된 장비보다 10배의 각분리 능력을 가지고 있으며 쌍둥이 에타별이 가장 밝게 빛을 내는 파장에서 가장 민감한 감도를 가지고 있다.

 

제임스웹 우주망원경의 운용을 위한 NASA 프로젝트 과학자인 소너번의 소감은 다음과 같다.
"제임스웹 우주망원경의 훨씬 큰 주경으로 함께 관측을 진행하면 중간 적외선 대역은 천문학자들로 하여금 이 특이한 별에 대해 더 많은 것을 이해할 수 있도록 도와줄 것입니다.
별의 진화단계에서 이처럼 짧은 매혹적인 단계를 지나고 있는 천체를 더 많이 발견할 수도 있게 해 주겠죠."

 

이 후보 별들이 정말 용골자리 에타별의 쌍둥이 별인지 여부는 제임스웹 우주망원경에 의해 판가름 날 것이다.

출처 : 허블사이트 2016년 1월 6일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/01/

 

참고 : 용골자리 에타별을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-01

NASA's Spitzer, Hubble Find 'Twins' of Superstar Eta Carinae in Other Galaxies

Eta Carinae, the most luminous and massive stellar system within 10,000 light-years, is best known for an enormous eruption seen in the mid-19th century that hurled an amount of material at least 10 times the sun’s mass into space. This expanding veil of gas and dust, which still shrouds Eta Carinae, makes it the only object of its kind known in our galaxy. Now a study using archival data from NASA's Spitzer and Hubble space telescopes has found five similar objects in other galaxies for the first time.

"The most massive stars are always rare, but they have tremendous impact on the chemical and physical evolution of their host galaxy," said lead scientist Rubab Khan, a postdoctoral researcher at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. These stars produce and distribute large amounts of the chemical elements vital to life and eventually explode as supernovae.

Located about 7,500 light-years away in the southern constellation of Carina, Eta Carinae outshines our sun by 5 million times. The binary system consists of two massive stars in a tight 5.5-year orbit. Astronomers estimate that the more massive star has about 90 times the sun's mass, while the smaller companion may exceed 30 solar masses.

As one of the nearest laboratories for studying high-mass stars, Eta Carinae has been a unique, important astronomical touchstone since its eruption in the 1840s. To understand why the eruption occurred and how it relates to the evolution of massive stars, astronomers needed additional examples. Catching rare stars during the short-lived aftermath of a major outburst approaches needle-in-a-haystack levels of difficulty, and nothing matching Eta Carinae had been found prior to Khan's study.

"We knew others were out there," said co-investigator Krzysztof Stanek, a professor of astronomy at Ohio State University in Columbus. "It was really a matter of figuring out what to look for and of being persistent."

Working with Scott Adams and Christopher Kochanek at Ohio State and George Sonneborn at Goddard, Khan developed a kind of optical and infrared fingerprint for identifying possible Eta Carinae twins, or "Eta twins" for short.

Dust forms in gas ejected by a massive star. This dust dims the star's ultraviolet and visible light, but it absorbs and reradiates this energy as heat at longer, mid-infrared wavelengths. "With Spitzer we see a steady increase in brightness starting at around 3 microns and peaking between 8 and 24 microns," explained Khan. "By comparing this emission to the dimming we see in Hubble's optical images, we could determine how much dust was present and compare it to the amount we see around Eta Carinae."

An initial survey of seven galaxies from 2012 to 2014 didn't turn up any Eta twins, underscoring their rarity. It did, however, identify a class of less massive and less luminous stars of scientific interest, demonstrating the search was sensitive enough to find Eta Carinae–like stars had they been present.

In a follow-on survey in 2015, the team found two candidate Eta twins in the galaxy M83, located 15 million light-years away, and one each in NGC 6946, M101, and M51, located between 18 million and 26 million light-years away. These five objects mimic the optical and infrared properties of Eta Carinae, indicating that each very likely contains a high-mass star buried in five to 10 solar masses of gas and dust. Further study will let astronomers more precisely determine their physical properties. The findings were published in the Dec. 20 edition of The Astrophysical Journal Letters.

NASA's James Webb Space Telescope (JWST), set to launch in late 2018, carries an instrument ideally suited for further study of these stars. The Mid-Infrared Instrument (MIRI) has 10 times the angular resolution of instruments aboard Spitzer and is most sensitive at the wavelengths where Eta twins shine brightest. "Combined with JWST's larger primary mirror, MIRI will enable astronomers to better study these rare stellar laboratories and to find additional sources in this fascinating phase of stellar evolution," said Sonneborn, NASA's project scientist for JWST operations. It will take JWST observations to confirm the Eta twins as true relatives of Eta Carinae.

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301-286-4453
francis.j.reddy@nasa.gov

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
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villard@stsci.edu