HD 142527 : 이중별 주위에서 형성되는 행성

 

Credit: Andrea Isella/Rice University; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

 

사진 1> ALMA가 HD 142527 이중별계를 촬영하여 합성한 이 사진에는 선명한 먼지 아치(붉은색)와 일산화탄소 고리(파란색과 초록색)가 그 모습을 드러내고 있다.
붉은색으로 나타나는 지역은 가스가 없는 지역을 의미한다.
이는 이 지역에서 일산화탄소가 얼어붙어 먼지 알갱이의 표면에 얼어붙은 서리층을 형성하고 있음을 의미하는 것이다.
천문학자들은 이러한 결빙 과정이 행성 형성을 촉진하는 것으로 추정하고 있다. 
  

천문학자들이 ALMA를 이용하여 이중별 주위에서 발생 초기 단계에 있는 행성의 모습을 매우 세밀하게 촬영해냈다.
외곽에 행성을 품고 있는 이중별 주위의 원시행성원반에서 과학자들은 현저하게 가스가 결여된 인상적인 초승달 모양의 먼지 지역을 발견했다.
워싱턴 D.C AAAS 모임에서 발표된 이번 연구 결과는 이중별계에서의 행성 형성 가능성에 대한 새로운 통찰을 제공해주고 있다.
 

과학자들은 이중별계에서 어떻게 행성이 형성되는지를 이해하기 위해 분투중이다.
기존에 제시된 초기 모델에 따르면 두 개 별 간의 중력다툼이 어린 행성들을 강착 궤도로 밀어넣을 수도 있고, 행성을 두 별의 중력 영역에서 완전히 밀어내 버릴 수도 있으며 상대별과 충돌하게 만들 수도 있다고 한다.

 

그러나 이번 관측증거에 따르면 행성의 형성 뿐 아니라 형성된 행성이 두 개 별 주위를 놀랍도록 안정된 궤도로 유지된다는 것이 밝혀졌다.

 

천문학자들이 이중별계에서 행성계가 어떻게 생겨나고 진화하는지를 보다 더 잘 이해하기 위해 ALMA를 이용하여 HD 142527 주위의 원시행성원반에 대한 상세한 사진을 촬영하였다.
HD 142527은 전갈자리-궁수자리 무리별(the Scorpius-Centaurus Association)로 알려진 어린 별들이 몰려 있는 곳에 위치하고 있으며 지구로부터 450광년 거리에 자리잡고 있는 이중별이다.

 

HD 142527 에는 태양질량의 두배를 약간 넘어서는 질량을 가진 으뜸별과 태양질량 대비 3분의 1정도의 질량을 가진 짝꿍별이 자리잡고 있다.
이 두 별이 떨어져 있는 거리는 약 16억 킬로미터로서 이는 태양과 토성 거리를 약간 넘어서는 거리이다.

 

이 이중별계에 대한 이전 ALMA 연구는 이 이중별을 감싸고 있는 원반의 안쪽과 바깥쪽 구조를 놀랍도록 세밀하게 밝혀주었다.

(참고 : https://big-crunch.tistory.com/12348403 )

 

휴스턴 라이스 대학교의 천문학자 안드레아 이젤라(Andrea Isella)의 설명은 다음과 같다.
"이 이중별계는 오랫동안 행성이 형성되고 있는 먼지와 가스 무리를 가지고 있는 것으로 알려져 왔습니다.
이번에 새로 촬영된 ALMA사진은 이곳 HD 142527 이중별계에서 진행중인 행성 형성, 또는 다른 많은 이중별계에서도 존재할지 모를 행성 형성의 물리적 과정에 대해 이전까지는 볼 수 없었던 세부적인 모습을 보여주고 있습니다."

 

행성은 갓태어난 어린 별 주위를 감싸고 있는 광활한 가스와 먼지 원반으로부터 생겨난다.

작은 먼지 알갱이들과 가스 덩어리들은 중력에 의해 합쳐져 점점 몸집을 불려나가게 되고 결국 소행성이나 행성을 만들게 된다.

 

그러나 이러한 과정의 결정적 과정에 대해서는 여전히 잘 이해되지 않고 있다.

 

ALMA를 이용하여 원시행성원반에 대한 광범위한 연구를 진행함으로써 천문학자들은 우주 전역의 행성 형성 조건에 대해 보다 잘 이해할 수 있게 되기를 희망하고 있다.

 

HD 142527을 촬영한 ALMA의 새로운 고해상도 사진들은 이 이중별을 감싸고 있는 넓은 타원형 고리를 보여주고 있다.
이 원반은 중심 별로부터 놀라울 정도로 머나먼 거리에서 시작되고 있는데 그 거리는 대략 태양과 지구의 50배에 해당하는 거리이다.

 

이 원반은 두 종류의 일산화탄소(13CO와 C180)를 포함하여 대부분 가스로 구성되어 있다.
그런데 눈길을 끄는 것은 이 가스들이 결핍되어 있는 거대한 먼지 아치가 전체 원반의 3분의 1에 육박하는 부분을 차지하고 있다는 것이다.

 

이젤라의 추정에 따르면 이 그믐달 모양의 먼지 구름은 이중별게에서만 나타나는 중력 조석 작용의 결과일 수도 있고 행성 형성의 핵심을 쥐고 있는 요소일 수도 있다.

 

자유롭게 떠다니는 가스의 결핍은 가스가 얼어붙어 먼지 알갱이를 감싸고 있는 얇은 얼음층을 형성한 결과일 수도 있다.

 

이젤라의 설명은 다음과 같다.
"온도가 너무 낮으면 가스가 얼음으로 바뀌어 먼지 알갱이에 들러붙게 되죠.
이러한 과정은 먼지 알갱이들이 서로 들러붙을 가능성을 높여줌으로써, 미행성체의 형성에 있어 강한 촉매 구실을 하는 것으로 생각됩니다.
이러한 과정을 따라가면 결국 행성이 되는 것이죠."

 

이젤라의 이어지는 설명은 다음과 같다.
"우리는 최소 20년 이상 원시행성 원반을 연구해왔습니다.
ALMA를 이용하여 다시 살펴볼 수 있게 된 원시행성원반의 수는 수백개에서 수천개에 이르죠.
이 와중에 새롭고도 놀라운 상세한 발견이 이루어졌습니다. 
이게 바로 ALMA의 매력입니다.
매시간 우리는 새로운 데이터를 얻을 수 있고 마치 선물을 뜯어보듯 데이터를 보게 되죠.
그 안에 무엇이 들어있는지는 아무도 모르죠."
 
HD 142527은 이젤라의 팀에서 일하고 있는 얀 뵐러(Yann Boehler)의 라이스대학 박사후 과정 논문의 주제가 될 것이다.

 

Credit: Andrea Isella/Rice University; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

 

사진 2> 가운데 두 개 점이 현재 두 개 별이 자리잡고 있는 곳이다.

 

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

그림 1> 이 그림은 ALMA의 관측 데이터를 근거로 그린 HD 142527 이중별계의 상상화이다.
원시행성원반에 포함되어 있는 먼지의 아치가 붉은색으로 선명하게 그 모습을 드러내고 있다. 
붉은색의 아치는 가스가 없는 지역이며 이는 이 지역에서 일산화탄소가 얼어붙어 먼지 알갱이의 표면에 얼어붙은 서리층을 형성하고 있음을 의미하는 것이다.

천문학자들은 이러한 결빙 과정이 행성 형성을 촉진하는 것으로 추정하고 있다.
가운데 두 개 점이 현재 두 개 별이 자리잡고 있는 곳이다.
 
 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 2월 13일자
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/binary-star-disk        

 

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

 

원문>

For Release: 13 February 2016, 8 a.m. EST

Planet Formation around Binary Star:

ALMA reveals planet-forming potential of protoplanetary disk

Summary: Using ALMA, astronomers have taken a new, detailed look at the very early stages of planet formation around a binary star. Embedded in the outer reaches of a double star's protoplanetary disk, the researchers discovered a striking crescent-shape region of dust that is conspicuously devoid of gas. This result, presented at the AAAS meeting in Washington, D.C., provides fresh insights into the planet-forming potential of a binary system.

Astronomers struggle to understand how planets form in binary star systems. Early models suggested that the gravitational tug-of-war between two stellar bodies would send young planets into eccentric orbits, possibly ejecting them completely from their home system or sending them crashing into their stars. Observational evidence, however, reveals that planets do indeed form and maintain surprisingly stable orbits around double stars.

To better understand how such systems form and evolve, astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) took a new, detailed look at the planet-forming disk around HD 142527, a binary star about 450 light-years from Earth in a cluster of young stars known as the Scorpius-Centaurus Association.

The HD 142527 system includes a main star a little more than twice the mass of our Sun and a smaller companion star only about a third the mass of our Sun. They are separated by approximately one billion miles: a little more than the distance from the Sun to Saturn. Previous ALMA studies of this system revealed surprising details about the structure of the system's inner and outer disks. 

"This binary system has long been known to harbor a planet-forming corona of dust and gas," said Andrea Isella, an astronomer at Rice University in Houston, Texas. "The new ALMA images reveal previously unseen details about the physical processes that regulate the formation of planets around this and perhaps many other binary systems."

Planets form out of the expansive disks of dust and gas that surround young stars. Small dust grains and pockets of gas come together under gravity, forming larger and larger agglomerations and eventually asteroids and planets. The fine points of this process are not well understood, however. By studying a wide range of protoplanetary disks with ALMA, astronomers hope to better understand the conditions that set the stage for planet formation across the Universe.

ALMA's new, high-resolution images of HD 142527 show a broad elliptical ring around the double star. The disk begins incredibly far from the central star -- about 50 times the Sun-Earth distance. Most of it consists of gases, including two forms of carbon monoxide (13CO and C180), but there is a noticeable dearth of these gases within a huge arc of dust that extends nearly a third of the way around the star system.

This crescent-shaped dust cloud may be the result of gravitational forces unique to binary stars and may also be the key to the formation of planets, Isella speculates. Its lack of free-floating gases is likely the result of them freezing out and forming a thin layer of ice on the dust grains.

"The temperature is so low that the gas turns into ice and sticks to the grains," Isella said. "This process is thought to increase the capacity for dust grains to stick together, making it a strong catalyst for the formation of planetesimals, and, down the line, of planets."

"We've been studying protoplanetary disks for at least 20 years," Isella said. "There are between a few hundred and a few thousand we can look at again with ALMA to find new and surprising details. That's the beauty of ALMA. Every time you get new data, it's like opening a present. You don't know what's inside."

HD 142527 will be the subject of an upcoming paper led by Rice postdoctoral fellow Yann Boehler, who is working in Isella’s group.

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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Contact:
Charles Blue, NRAO Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu 

Isella will speak as part of the "Planet Formation Seen With Radio Eyes" session at AAAS at 8 a.m. on Feb. 13. Other speakers include David J. Wilner with the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass., and Kevin Flaherty with Wesleyan University in Middletown, Conn.  

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. 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).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.