VLA가 밝혀낸 별과 행성의 형성에 대한 새로운 증거

 

CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

 

그림 1> 서로 넓은 간격을 유지한 채로 형성되고 있는 한 쌍의 별이 배경으로 보인다.
이들은 거대한 하나의 구름에서 찢겨져나간 물질들로 만들어지고 있다.

앞쪽으로는 다중별계의 짝꿍별들이 으뜸별을 둘러싼 먼지원반 내에서 형성되고 있는 모습이 묘사되어 있다.

 

젊은 별과 그 주변에 대한 세부적 연구를 통해 어떻게 다중별계가 만들어지고 어떻게 행성을 만들어내는 원재료인 먼지 원반이 생성되는지에 대한 인상적인 새로운 증거가 도출되어다.

 

연구팀은 국립과학재단의 칼 G. 얀스키 초대형 배열(VLA) 전파 망원경을 이용하여 지구로부터 750광년 거리에서 가스와 먼지 구름 내에 휘감겨 있는 100 여 개의 새로 탄생한 별들을 연구하였다.
이 별들은 여전히 형성이 진행중인 별들이다.

 

이번 연구에 의해 만들어진 사진들은 여러 어린 별들을 유례없이 세밀한 모습으로 보여주고 있으며, 천문학자들로 하여금 어떻게 별들과 다중별들이 만들어지고 행성도 거느리게 되는지에 대한 중요한 질문을 풀 수 있도록 도와주고 있다.

 

천문학자들은 이번 연구 결과를 플로리다 키시미에서 열린 전미 천문학회에서 발표하였다.

 

한 개 팀은 태어난지 얼마 안된 다중별계를 관측하면서 이와 같은 다중별계가 만들어지는데 각각 서로 다른 두 개의 메커니즘이 개입되었을 것이라는 결론을 내렸다.
천문학자들은 그들이 연구한 별계가 각 별들의 거리에 따라 명백하게 다른 두 개의 유형으로 갈린다는 것에 주목하였다.

 

별들이 서로 가장 가까이 위치하는 경우 그 거리는 대략 태양-지구 거리의 75배였으며, 또다른 그룹은 태양-지구 거리의 3,000배까지 떨어져 있었다.
연구팀은 또한 자신들이 연구한 다중별계에서 반 이상의 별이 가장 어린 축에 속하는 별들이라는 것을 발견하였는데, 이는 별의 생성기재가 하나의 별보다는 여러개의 별을 만드는 쪽으로 작용한다는 것을 의미하는 것이었다.

 

네덜란드 라이든 천문대,  욘 토빈(John Tobin)의 설명은 다음과 같다.
"다중별계의 형성에 대해서 여러가지 시나리오가 제시되어 왔습니다.
이번 우리의 연구 결과는 별들 간에 나타나는 간격이 특정한 형태의 별계를 만드는 것과 관련이 있을 것이라는 점을 보여주고 있습니다. "

 

별들은 거대한 가스와 먼지구름에서 형성된다.

이러한 구름들 속에서 희박한 물질들은 중력붕괴를 거듭하며 뭉쳐지게 되고, 이로부터 추가적으로 물질들을 끌어들이게 된다.
이렇게 내부로 쏟아져들어오는 물질들이 갓 태어난 어린 별 주위를 회전하는 원반도 만들게 된다.
최종적으로 어린별은 그 중심에서 열핵반응 촉발에 필요한 압력과 온도를 만들어낼 수 있는 질량을 얻게 된다.

 

별 주위를 회전하는 원반은 행성을 만들어낼수도 있는 물질을 제공하게 된다.

 

과학자들은 좀더 넓게 떨어져 있는 다중별계는 좀더 큰 규모의 구름이 파괴적으로 찢겨져 나가면서 형성되고, 별들이 좀더 가까이 붙어 있는 다중별계는 원래 원시별 주위를 돌고 있는 물질 원반이 떨어져나가면서 형성되는 것이라는 결론을 도출하였다.

 

연구진은 또한 좀더 나이가 든 다중별계가 어린 원시별로 구성되어 있는 곳보다 넓은 간격을 유지하고 있는 짝꿍별을 가지고 있는 경우가 더 적다는 것도 알아냈다.
과학자들은 이러한 사실이 넓은 간격을 두고 만들어진 다중별계가 시간이 지날수록 상호 중력 영향권 밖으로 떨어져 나가게 된다는 것을 의미하는 것이라고 말했다.

 

일리노이대학의 도미니크 세구라-콕스(Dominique Segura-Cox)가 이끄는 또다른 연구팀은 원시별 주위를 돌고 있는 먼지 원반이 이론상 예측치보다 훨씬 크게 나타난다는 것을 발견했다.

 

이 원반들은 행성 형성 및 이중별에서의 짝궁별을 형성하는데 있어, 그리고 어린 별이 추가 물질을 끌어들이는데 있어 필수적인 물질에 해당한다.

 

그러나 이러한 일련의 과정에서 수행하는 중심적인 역할에도 불구하고 그 형성 기재는 천문학자들 사이에서 여전히 논쟁 거리가 되고 있다.

물질이 어린 별을 향해 추락할 때 자기장도 함께 끌어들이게 된다.

이론가들은 이렇게 끌려들어온 자기장은 별에 가까이 집중될수록 더 강해지게 된다고 말한다.
이렇게 강력해진 자기장이 정렬하게 되면 원반의 회전은 확연히 속도가 떨어지게되고 그 결과 원반의 크기는 제한적일 수밖에 없게 된다고 말한다.

 

이론적 모델이 예측하고 있는, 자기제동(magnetic braking)이라 불리는  이러한 효과는 원반의 크기를 대략 태양과 지구 거리의 10 배까지, 또는 태양과 토성 거리를 약간 넘어서는 폭까지 제한하는 것으로 예측되고 있다.

 

세구라-콕스의 설명은 다음과 같다.
"우리는 지구-태양 거리의 최소 15 배에서 30 배에 달하는 반경을 가진 원반들을 발견했습니다.
이것은 자기제동 모델이 예측하는 허용치를 엄청나게 넘어서는 크기죠.
우리가 관측한 것은 최소 크기입니다. 그리고 원반은 실제로 아마 더 클 것입니다.
또다른 별계에 대한 연구들은 이 원반들이 우리가 이번 프로젝트동안 사용한 방법과는 다른 라디오 주파수 관측에서 훨씬 더 크게 나타나고 있음을 말해주고 있습니다."

 

몇몇 별계에서 더 크게 나타나는 원반의 크기에 대한 한가지 가설은 자기장과 별의 자전축이 서로 맞지 않고 이러한 배치로 인해 자기제동 효과가 줄어드는 것으로 예측하고 있다.

과학자들은 몇몇 천체들이에서 이에 대한 증거가 목격된 바 있다고 말했다.

지난 12월 발표된 또다른 연구에서 연구팀은 동일 프로젝트의 데이터를 이용하여 원시별로 추락하는 물질들이 자기장 선을 꼬이게 만들고 이 자기장선을 내부로 끌어오면서 그 배치도 다르게 만든다는 것을 발견하였다.
(NRAO  2015년 12월 21일자 뉴스 참고 https://big-crunch.tistory.com/12348427 )

별 주위의 자기장 배열을 측정한 이 연구는 자기제동 효과를 최소화시키는 한가지 기재를 설명해주고 있는 것이다.

 

토빈의 설명은 다음과 같다.
"이와 같이 어린 별들 주변을 감싸고 있는 원반들에 대한 관측은 행성이 형성되는데 필요한 모든 요소들이 별의 생성 초기에 매우 일찍부터 출현한다는 것을 보여주고 있습니다.
게다가 생겨난지 얼마 안되는 어린 원반들에도 이미 수 센티미터 크기의 입자들이 있을 수도 있는데 이는 고체 입자의 성장이 매우 빠르게 진행된다는 것을 알려주는 것이죠."

 

이러한 과정을 알려주는 사진들은 VLA를 이용한 원시행성원반 및 원시행성원반의 다양성 탐사(the VLA Nascent Disk and Multiplicity Survey, VANDAM Survey)라 불리는 프로젝트로부터 도출된 것이다.

이 관측은 2013년부터 2015년까지 총 264시간동안 VLA 관측을 진행하면서 750 광년 거리의 페르세우스 분자구름 상에 존재하는 원시별들을 연구하였다.

 

10,000 개의 태양에 맞먹는 물질들을 포함하고 있는 페르세우스 분자구름은 적은 질량부터 중간 정도의 질량을 가진 별들이 활발하게 형성되고 있는, 지구로부터 가장 가까운 별 생성 구역 중 하나로서 천문학자들로 하여금 별의 생성을 연구하는데 최적의 "연구실"이 되어주고 있다.

 

토빈의 소감은 다음과 같다.
"이번 관측은 엄청난 수의 어린 별들을 대상으로 진행되었으며 우리가 이전에 연구 대상으로 삼은 천체보다 훨씬 더 희미한 천체들을 훨씬 더 상세하게 보여주었습니다. 

이 연구를 통해 제공받은 정보들은 우리의 지식을 놀라울 정도로 향상시켜주었죠."
 
세구라-콕스의 소감은 다음과 같다.
"우리가 연구한 원반들은 그 위치가 두꺼운 구름들에 가려져 있어 관측이 쉽지 않은 천체들이었습니다.
그러나 이번 VLA 관측은 이 원반들의 존재를 밝혀주었고, 그 형성 과정에 대한 핵심적인 정보들을 제공해 주었습니다." 
 

 

CREDIT: Tobin, et al., NRAO/AUI/NSF.

 

사진 1> VLA가 촬영한 페르세우스 분자구름 내의 갓 태어난 이중별계.
이 한 쌍의 별은 우리 태양계에서 해왕성 공전궤도에 딱 들어맞는 폭을 가지고 있다.

 

CREDIT: Tobin et al., NRAO/AUI/NSF.

 

사진 2> 페르세우스 분자구름 내에 형성이 진행중인 삼중별계. 
사진은 VLA에 의해 촬영되었다.

 

CREDIT: Segura-Cox, et al., NRAO/AUI/NSF.

 

사진 3> 페르세우스 분자구름 내에서 갓 태어난 어린 별 주위를 둘러싸고 있는 원반으로서 VLA에 의해 촬영된 것이다.

각 화살표는 어린 별계에서 뿜어져나오는 폭풍의 방향을 나타내고 있다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 1월 5일자
          https://public.nrao.edu/news/pressreleases/star-and-planet-formation
        

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

 

원문>

Embargoed For Release: 2:15 p.m., EST, Tuesday, 5 January 2016

VLA Reveals Dramatic New Evidence About Star, Planet Formation

A detailed study of young stars and their surroundings has produced dramatic new evidence about how multiple-star systems form and how the dusty disks that are the raw material for planets grow around young stars. Teams of scientists used the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) radio telescope to study nearly 100 newborn stars in a cloud of gas and dust about 750 light-years from Earth, in which new stars are forming.

Images made from the study showed unprecedented detail of a number of the young stars, and are helping astronomers resolve important questions about how stars, binary stars, and planets get their starts. The astronomers presented their results to the American Astronomical Society's meeting in Kissimmee, Florida.

Looking at young multiple-star systems, one team concluded that two different formation mechanisms may be at work to produce such systems. They noted that the systems they studied fall into two distinct types, based on the distance between the stars in the system. The closer systems have stars separated by about 75 times the Sun-Earth distance, and another group has its stars separated by about 3,000 times the Sun-Earth distance. They also found that more than half of the youngest stars they studied are in multiple systems, suggesting that star formation tends to produce multiples rather than single stars.

"Several different processes have been suggested for how multiple-star systems form, and our results indicate that the separation between stars may tell us which of these processes is responsible for a particular system," said John Tobin, of Leiden Observatory in the Netherlands.

Stars form in giant clouds of gas and dust, when tenuous material in such clouds collapses gravitationally into cores that then begin to draw additional material inward. Infalling material forms a rotating disk around the young star. Eventually, the young star gathers enough mass to create the temperatures and pressures at its center that will trigger thermonuclear reactions. The rotating disk around the star provides the material from which planets may form.

The researchers concluded that the more widely-separated multiple-star systems form through turbulent fragmentation of the larger cloud, while the closer systems are the result of fragmentation within the disk of material orbiting the original protostar. They also found that somewhat older systems have fewer widely-separated companions than the youngest group of protostars. This, they said, suggests that perhaps some young stars that form as widely-separated systems are not gravitationally bound and simply drift apart over time.

Another team, led by Dominique Segura-Cox, of the University of Illinois, found that the dusty disks around some of the protostars are larger than some theoretical models predict. These disks are essential to the formation of planets, some binary companions, and the young star's ability to draw in additional material. Despite their central role in these processes, however, their formation mechanisms have been debated among astronomers.

As material falls inward toward a young star, it pulls magnetic fields along with it. Theorists suggested that these fields, which become stronger as they are concentrated closer to the star, could be aligned so that they drastically slow the disk's rotation, limiting the size of the disk. Theoretical models predicted that this effect, called magnetic braking, would limit the disks to a radius about 10 times the Earth-Sun distance, or slightly more than the distance from the Sun to Saturn.

"We found disks with radii that are at least 15-30 times the Earth-Sun distance, significantly larger than the magnetic-braking model would allow," Segura-Cox said. "This is a lower limit, and the disks may actually be larger. Studies of other systems have indicated that disks are larger when observed at radio frequencies different than the ones we used in this project," she added.

One explanation for the larger disk sizes may be that, in some systems, the magnetic field and the rotation axis of the star are misaligned, a configuration that reduces the magnetic-braking effect. Evidence for this has been seen in some objects, the researchers said.

In another study published last December, a team using data from the same project found that the material falling toward one protostar is twisting the magnetic field lines and changing their configuration as it drags them inward. That study, which measured the magnetic-field alignments near the star, indicates one mechanism for minimizing the magnetic-braking effect.

"These observations of disks around such young stars suggests that all the elements needed for planet formation are present very early in the life of a star. Plus, it is probable that there are already centimeter-sized particles in these young disks, meaning that the growth of solids progresses rapidly," Tobin said.

The images for this work came from a project called the VLA Nascent Disk and Multiplicity (VANDAM) Survey. This survey used 264 hours of VLA observing time from 2013 to 2015 to study protostars in the Perseus Molecular Cloud, about 750 light-years distant. The Perseus Molecular Cloud, containing as much material as 10,000 suns, is one of the closest regions where low- to intermediate-mass stars are actively forming, and thus serves as a valuable "laboratory" for astronomers seeking to understand star formation.

"This survey sampled the largest number of young stars, and revealed fainter objects than we could study previously, and did so in greater detail. The information it provided has dramatically improved our knowledge," Tobin said.

"The disks we studied are difficult to observe as they are obscured by the cloud in which they are forming, but these new VLA observations reveal the disks and provide critical data into their formation mechanism,” Segura-Cox said.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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