2MASS J16281370-2431391 : 꽁꽁 얼어붙은 원시행성원반

Credit:Digitized Sky Survey 2/NASA/ESA

사진 1> 어린별 2MASS J16281370-2431391은 지구로부터 400 광년 거리에 위치하고 있으며 땅꾼자리 로별 주위의 별생성 구역에 자리잡고 있다.

            이 별은 가스와 먼지로 이루어진 원반에 의해 휘감겨 있다.
            이러한 원반을 원시행성원반이라 부르는데 이는 이러한 원반이 행성계를 만들어내는 초기 단계에 해당하기 때문이다.

            이 독특한 원반은 우리에게 거의 모서리를 드러내고 있어 그 모습을 따서 비행접시라는 별명을 붙이게 되었다.

            이 사진은 땅꾼자리 로별이 위치하는 지역의 특정 부분을 담고 있다.
            네모 상자에 담긴 사진은 허블우주빛통이 적외선으로 촬영한 '비행접시'라는 별명의 원시행성원반의 모습을 확대해 놓은 것이다.

천문학자들이 ALMA와 IRAM 빛통을 이용하여 갓 태어난 어린 별 주위를 감싸고 있는 원시행성원반 외곽부의 먼지 알갱이들의 온도를 직접적으로 측정해냈다.

과학자들은 비행접시(the Flying Saucer)라는 별칭이 붙은 이 원시행성원반에 대해 독특한 기술을 적용하여 이 원시행성원반 외곽의 알갱이들이 예상보다 훨씬 낮은 온도인 영하 266도라는 것을 밝혀냈다.

이번 연구 결과로 원시행성원반 모델은 수정이 불가피해질 것으로 보인다.

프랑스 드 보르도 천체물리 연구소의 스테파네 기요토(Stephane Guilloteau)가 이끄는 국제 연구팀이, 2MASS J16281370-2431391 이라는 어린 별 주위를 휘감고 있는 원시행성원반 외곽의 먼지 알갱이 온도를 측정해냈다.
이 별은 400 광년 거리의 인상적인 별 생성 구역인 땅꾼자리 로별(Rho Ophiuchi) 지역에 자리잡고 있다. 
 
이 별은 원시행성원반이라 불리는 가스 및 먼지 원반에 휩싸여 있다.
원시행성원반이란 행성계를 만들어내는 초기 단계의 먼지 원반을 말한다.

이 특별한 원시행성원반은 우리에게 거의 모서리를 드러내고 있다.
그래서 그 모습이 이 원시행성원반의 별명이 된 비행접시를 떠오르게 만든다.

Credit:ESO/NASA/ESA

사진 2> 허블우주빛통이 적외선으로 촬영한 2MASS J16281370-2431391 별 주위의 원시행성원반

천문학자들은 ALMA(아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용하여 2MASS J16281370-2431391 주위 원시행성원반의 일산화탄소 분자로부터 발생하는 빛을 탐사하였다.

이를 통해 매우 높은 해상도의 사진들을 얻을 수 있었으며 이상한 점도 발견할 수 있었는데 그것은 가끔 네거티브 신호가 포착되었다는 점이다.

대개 네거티브 신호는 물리적으로 불가능한 현상이긴 하지만 이번 경우에는 네거티브 신호에 대한 설명을 수립되는 과정에서 놀라운 결과가 도출되었다.

이번 논문의 제 1 저자인 스테파네 기요토의 설명은 다음과 같다.
"이 원반은 어둡고 텅빈 하늘에서는 관측되지 않았습니다.
 땅꾼자리 로별 지역의 별구름 전면에 비친 그림자를 통해 그 모습을 드러냈죠.
 이 희미한 빛은 ALMA가 감지하기에는 너무나 어려울 정도로 넓게 퍼져 있었어요.
 그런데 이 원시행성원반이 이 희미한 빛을 막아서고 있었죠.
 그 결과 나타난 네거티브 신호는 이 원시행성 원반의 일부가 배경보다 훨씬더 낮은 온도라는 것을 의미하는 것이었습니다.

 말 그대로 지구가 이 비행접시의 그림자 속에 파묻혀 있는 거라고나 할까요?"
  
 연구팀은 이 원시행성 원반에 대한 ALMA의 관측자료를 스페인의  IRAM 30미터 빛통이 관측해낸 배경을 이루는 빛의 관측자료와 결합하였다. [1]

연구팀은 자신의 중심별로부터 150억 킬로미터 거리나 떨어져 있는 원시행성원반의 먼지 알갱이 온도가 영하 266도밖에 되지 않을 것으로 추론하였다.[2]
(이 온도는 절대 온도 0도에서 고작 7도밖에 되지 않는 상태이다.)

이번 관측은 이와 같은 원시 행성 원반을 구성하는 비교적 큰 알갱이 - 그 크기는 대략 1밀리미터 수준이다. - 의 온도를 직접적으로 측정한 최초의 사례에 해당한다.

이렇게 측정된 결과치는 가장 최근의 모델이 예측하고 있는 온도인 영하 258도에서 영하 253도보다도 훨씬 낮은 온도에 해당한다.

예측치와 측정치 간의 불일치 문제를 풀기 위해서 비교적 큰 먼지 알갱이는 최근 예측된 것과는 다른 속성을 가져야만 했다.
그래야만 이번 측정치처럼 낮은 온도가 나올 수 있었던 것이다.

이번 논문의 공동저자인 드 보르드 천체물리 연구소의 엠마누엘 디 폴코(Emmanuel di Folco )의 설명은 다음과 같다.
"이 원시행성원반의 구조에 대한 발견이 가져올 영향을 해결하기 위해 우리는 이처럼 낮은 온도를 설명해 줄만한 먼지 알갱이의 속성을 찾아내야 했습니다.
 우리는 몇 개 아이디어를 가지고 있었죠.
 예를 들어 온도는 알갱이의 크기와 관련성이 있을지 모른다라는 가정도 그것인데요.
 크기가 큰 알갱이일수록 크기가 작은 알갱이보다는 낮은 온도를 가지고 있을지도 모른다는 것이었습니다.
 그러나 아직 이것을 속단하기에는 이른 상황이죠."

만약 이처럼 낮은 온도의 먼지알갱이가 원시행성원반의 일반적인 특징으로 밝혀진다면 원시행성원반이 어떻게 형성되고 진화하는가를 이해하는데 있어서 많은 시사점을 줄 수도 있는 문제이다.

예를 들어 서로 다른 먼지 알갱이의 속성은 이 먼지 알갱이들이 충돌을 일으켜 행성 형성의 씨앗을 제공하는 역할에 어떤 영향을 미치게 될 것이다.

하지만 먼지의 속성이라는 측면에서 필요한 변화가 중요하든 중요하지 않든간에 그것은 아직은 측정될 수 없는 내용이다.

낮은 먼지의 온도는 현재 익히 알려져 있는 비교적 작은 먼지 원반에 있어서는 중요한 영향을 미치게 된다.

만약 이들 원시행성원반들이 주로 비교적 큰 크기이면서 그래서 현재의 예상치보다 온도가 낮은 알갱이들로 구성되어 있다면
이 소규모 고밀도의 원시행성원반은 얼마든지 무거운 질량을 가질 수 있고, 중심에 자리잡고 있는 별로부터 상대적으로 가까운 거리에 거대한 행성이 형성될 가능성이 얼마든지 있게 된다.

추가 관측은 분명히 더 필요한 상황이다.

그러나 ALMA에 의해 이번에 발견된 상대적으로 차가운 먼지의 발견은 원시 행성원반을 이해하는데 있어서 중요한 결과를 몰고 올 수도 있을 것으로 보인다.

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

표1> 이 표는 거대한 별자리인 땅꾼자리를 표시한 것이다.

        이 별자리의 남쪽에는 어둡고 밝은 구름들이 몰려있으면서 새로운 별들이 형성되고 있는  인상적인 지역이 자리잡고 있다.

        이 지역에서 가장 밝은 별인 땅꾼자리 로 별의 위치가 표시되어 있다.
        표상의 모든 별들은 청명하고 어두운 밤하늘이라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다.

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2

Acknowledgement: Davide De Martin

사진 3> 이 사진은 밝고 어두운 구름이 뒤섞여 있는 인상적인 지역이자 새로운 별들이 탄생하고 있는 지역인 땅꾼자리 로 주변을 광대역으로 촬영한 것이다. 
            이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 것이다.

각주
[1] ALMA와 마찬가지로 IRAM의 측정자료 역시 그 자체로는 배경으로부터 발생하는 광범위한 신호를 탐지해 내기에는 충분치 않았다.
   
[2] 이 거리는 태양과 지구 거리의 100배에 해당하는 거리이다. 
      이곳이 태양계라면 이 거리는 카이퍼 밸트가 위치하는 지역에 해당한다.
    
 
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 2월 3일자
          http://www.eso.org/public/news/eso1604/

원문>

eso1604 — Science Release

The Deep-Frozen Flying Saucer

ALMA finds unexpectedly cold grains in planet-forming disc

3 February 2016

Astronomers have used the ALMA and IRAM telescopes to make the first direct measurement of the temperature of the large dust grains in the outer parts of a planet-forming disc around a young star. By applying a novel technique to observations of an object nicknamed the Flying Saucer they find that the grains are much colder than expected: −266 degrees Celsius. This surprising result suggests that models of these discs may need to be revised.

The international team, led by Stephane Guilloteau at the Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux, France, measured the temperature of large dust grains around the young star 2MASS J16281370-2431391 in the spectacular Rho Ophiuchi star formation region, about 400 light-years from Earth.

This star is surrounded by a disc of gas and dust — such discs are called protoplanetary discs as they are the early stages in the creation of planetary systems. This particular disc is seen nearly edge-on, and its appearance in visible light pictures has led to its being nicknamed the Flying Saucer.

The astronomers used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to observe the glow coming from carbon monoxide molecules in the 2MASS J16281370-2431391 disc. They were able to create very sharp images and found something strange — in some cases they saw a negative signal! Normally a negative signal is physically impossible, but in this case there is an explanation, which leads to a surprising conclusion.

Lead author Stephane Guilloteau takes up the story: “This disc is not observed against a black and empty night sky. Instead it’s seen in silhouette in front of the glow of the Rho Ophiuchi Nebula. This diffuse glow is too extended to be detected by ALMA, but the disc absorbs it. The resulting negative signal means that parts of the disc are colder than the background. The Earth is quite literally in the shadow of the Flying Saucer!”

The team combined the ALMA measurements of the disc with observations of the background glow made with the IRAM 30-metre telescope in Spain [1]. They derived a disc dust grain temperature of only −266 degrees Celsius (only 7 degrees above absolute zero, or 7 Kelvin) at a distance of about 15 billion kilometres from the central star [2]. This is the first direct measurement of the temperature of large grains (with sizes of about one millimetre) in such objects.

This temperature is much lower than the −258 to −253 degrees Celsius (15 to 20 Kelvin) that most current models predict. To resolve the discrepancy, the large dust grains must have different properties than those currently assumed, to allow them to cool down to such low temperatures.

“To work out the impact of this discovery on disc structure, we have to find what plausible dust properties can result in such low temperatures. We have a few ideas — for example the temperature may depend on grain size, with the bigger grains cooler than the smaller ones. But it is too early to be sure,” adds co-author Emmanuel di Folco (Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux).

If these low dust temperatures are found to be a normal feature of protoplanetary discs this may have many consequences for understanding how they form and evolve.

For example, different dust properties will affect what happens when these particles collide, and thus their role in providing the seeds for planet formation. Whether the required change in dust properties is significant or not in this respect cannot yet be assessed.

Low dust temperatures can also have a major impact for the smaller dusty discs that are known to exist. If these discs are composed of mostly larger, but cooler, grains than is currently supposed, this would mean that these compact discs can be arbitrarily massive, so could still form giant planets comparatively close to the central star.

Further observations are needed, but it seems that the cooler dust found by ALMA may have significant consequences for the understanding of protoplanetary discs.

Notes

[1] The IRAM measurements were needed as ALMA itself was not sensitive to the extended signal from the background.

[2] This corresponds to one hundred times the distance from the Earth to the Sun. This region is now occupied by the Kuiper Belt within the Solar System.

More information

This research was presented in a paper entitled “The shadow of the Flying Saucer: A very low temperature for large dust grains”, by S. Guilloteau et al., published in Astronomy & Astrophysics Letters.

The team is composed of S. Guilloteau (University of Bordeaux/CNRS, Floirac, France), V. Piétu (IRAM, Saint Martin d’Hères, France), E. Chapillon (University of Bordeaux/CNRS; IRAM), E. Di Folco (University of Bordeaux/CNRS), A. Dutrey (University of Bordeaux/CNRS), T. Henning (Max Planck Institute für Astronomie, Heidelberg, Germany [MPIA]), D. Semenov (MPIA), T. Birnstiel (MPIA) and N. Grosso (Observatoire Astronomique de Strasbourg, Strasbourg, France).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the US National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

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Contacts

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Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
Floirac, France
Email: stephane.guilloteau@u-bordeaux.fr

Emmanuel di Folco
Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
Floirac, France
Email: emmanuel.di-folco@u-bordeaux.fr

Vincent Pietu
IRAM
Grenoble, France
Email: pietu@iram.fr

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