우주에서 가장 무거운 별들 : R136의 거대한 별들

Credit:NASA, ESA, P Crowther (University of Sheffield)

 

사진1> 이 사진은 대마젤란 은하의 중심부에 자리잡고 있는 타란툴라성운을 담고 있다.

사진 하단 우측에 갓태어난 고밀도 별무리인 R136이 보인다.

이 별무리에는 수백 개의 갓 태어난 파란 별들이 담겨 있다.
그리고 게중에는 현재까지 우주에서 발견된 가장 무거운 별들이 존재한다.

과학자들이 허블우주망원경을 이용하여 별들이 빽빽하게 몰려 있는 이 별무리의 중심부를 매우 세밀하게 연구할 수 있었다.

이곳에서 과학자들은 태양 대비 100배 이상의 질량을 가진 아홉 개의 별들을 발견했다.

 

천문학자들이 허블우주망원경의 독보적인 자외선 관측 능력을 이용하여 R136 별무리 내에서 태양질량의 100배에 달하는 질량을 가진 괴물 별들을 관측해내는데 성공했다.
이번 발견은 가장 무거운 질량을 가진 별들을 가장 대규모로 발견해낸 사례에 해당한다.
왕립천문학회 월보에 개재될 예정인 이번 발견 논문은 무거운 별의 생성에 대한 새로운 질문들을 제기하게 될 것이다.

 

국제연구팀이 허블우주망원경의 WFC3와 유례없는 자외선 공간 분해능을 제공하는 STIS(우주망원경화상분광기, the Space Telescope Imaging Spectrograph)를 이용하여 어린 별무리 R136을 자외선 대역에서 처음으로 분해해 내는데 성공했다. [1]

 

R136은 수광년 지름의 별무리로서 17만 광년 거리의 대마젤란 은하 내에 자리잡고 있는 타란툴라성운 속에 위치하고 있다.
갓 만들어진 별무리는 극단적인 질량을 가지고 뜨겁게 타오르는 대단히 밝은 별들을 많이 보유하고 있으며 이 별들 대부분은 자외선 복사를 뿜어낸다.[2]

이것은 과학자들이 자외선 복사를 통해 이 별무리를 관측한 이유이기도 하다.

 

이를 통해 태양의 50배 질량을 초과하는 별들을 10여개 발견했을 뿐 아니라 태양질량의 100배를 넘어서는 총 9개의 매우 무거운 별들도 식별해낼 수 있었다.
그러나 아직까지는 태양 질량의 250배에 달하는 R136a1 이라는 별이 우주에서 가장 무거운 질량을 가진 별이라는 타이틀을 유지하고 있다.

 

이번에 감지된 별들은 극단적인 질량 뿐 아니라 엄청난 밝기도 함께 가지고 있다.
태양 질량의 100배를 넘어서는 질량을 가진 이 아홉개의 별을 합치면 그 밝기는 태양 밝기의 3천만 배에 육박한다.

 

과학자들은 또한 이 거대한 별들로부터 쏟아져나오는 폭풍을 연구할 수 있었는데 이는 자외선에서 가장 수월하게 연구될 수 있는 대상이기도 하다.

 

이 별들이 뿜어내는 물질은 매달 지구 하나에 해당하는 질량이며 그 속도는 광속의 1퍼센트 수준에 육박하고 있다.
이처럼 맹렬한 속도로 몸집을 줄여나간 결과 이 별들은 짧은 생애를 살게 되는 것이다.

 

이번 연구를 이끈 영국 셰필드 대학교 폴 크로우더(Paul Crowther)의 소감은 다음과 같다.
"이처럼 고밀도로 별들이 몰려 있는 지역에서 자외선 분류를 통해 각각의 별들을 구분해내는 능력은 허블에 탑재된 장비만이 이뤄낼 수 있는 일입니다. 
저를 비롯해서 우리 연구진 모두는 지난 번 허블 업그레이드 작업에 참여하신 우주비행사 분들의 값진 노고에 감사를 드리지 않을 수 없습니다.
위험을 무릅쓰고 미래의 과학발전을 위해 애써주시고, STIS 를 재구축해 주신데 대해 정말 감사드립니다. "[3]
 
2010년 크로우더와 공동연구자들은 R136내에 4개의 별이 존재한다는 것을 보여준 바 있다.
당시 각 별의 질량은 태양 질량의 150배 이상으로 측정되었다. 

당시 이 별들에게서 발견된 극단적인 질량은 당시로서는 일반적으로 받아들여지던 별의 질량 상한치를 훨씬 초과하는 것으로 많은 사람들을 놀라게 했었다.

 

이번에 새로 도출된 결론은 이곳에 태양 질량의 100배 이상의 질량을 가진 별 다섯 개가 추가로 더 있음을 보여주었다.

 

R136 및 다른 별무리에서 수집된 결론들은 무거운 별의 형성에 대해 수많은 새로운 질문을 제기하고 있다.
이것은 이처럼 거대한 별의 기원에 여전히 명쾌하지 않은 구석이 있기 때문이다.[4]

 

이번 논문의 공동저자인 사이다 까발레로-니베스(  Saida Caballero-Nieves)의 설명은 다음과 같다.
"이보다는 덜 극단적인 질량을 가진 별들이 서로 가깝게 붙은 이중별계에서 별들이 서로 충돌하여 엄청난 질량을 가진 별이 만들어질 수 있다는 사실은 꾸준히 제기되어 왔습니다.
그러나 이처럼 별들간의 충돌을 통해 생성된 무거운 별의 생성 빈도는 우리가 아는 한에 있어서는 R136에서 발견되는 수많은 무거운 별들의 숫자를 설명하지 못합니다.
따라서 R136에서 발견된 이 무거운 별들은 이 별들이 또다른 별 생성 기재에 의해 생성될 수 있음을 말해주는 것이라 할 수 있습니다."
 
이처럼 무거운 별의 기원에 대한 답을 찾기 위해 연구팀은 수집된 데이터의 분석을 계속할 것이다.

 

새로운 STIS 관측 데이터의 분석은 연구원들로 하여금 R136에서 서로 가까운 거리를 유지한 채 돌고 있는 이중별계를 찾을 수 있도록 해줄 것이다.
이러한 이중별계는 무거운 질량의 이중블랙홀계를 만들 수 있고, 이렇게 형성된 이중블랙홀계는 결국 하나로 합쳐지면서 중력파를 만들 수도 있을 것이다. 

크로우더의 소감은 다음과 같다.
"허블우주망원경이 우주공간에 머무른지 벌서 25년이 지났지만 우리의 작업은 여전히 허블우주망원경만이 수행할 수 있는 독보적인 영역이 존재한다는 것을 말해주고 있습니다." 

 

 

Credit:ESA/Hubble, NASA, K.A. Bostroem (STScI/UC Davis)

 

사진 2> 왼쪽 사진은 R136 별무리의 중심부를 보여주고 있다. 이 지역은 자외선으로 관측이 가능한 지역이다.

자외선 영역에서 허블우주망원경이 제공하는 고해상도 분해능은 별들이 빽빽하게 몰려 있는 이 별무리의 별 하나하나를 분해하여 연구할 수 있도록 해주었다.

오른쪽 사진은 STIS에 의해 수집된 자외선 분광 데이터로 만들어진 가상의 사진이다.

과학자들은 이 분광 데이터를 이용하여 이 별무리 내의 별들의 속성을 결정할 수 있었다.

17개의 슬릿을 이용하여 수집된 데이터 영역이 왼쪽 사진에 하얀색 박스로 표시되어 있다.

 

 

각주

 

[1] R136은 원래는 남아프리카 레드클리프 천문대에서 마젤란 은하의 별 중 가장 밝은 별로 등재되었던 천체이다.   
이후 ESO의 관측에 의해 세 개의 별로 구분되었다가 후속 연구를 통해 다시 8개의 별로 구분되었다. 
최종적으로 이 별무리는 1993년 첫번째 보수를 마친 허블우주망원경에 의해 별이 빽빽하게 몰려 있는 별무리를 확정되었다.
 
[2] 매우 무거운 별들은 그 수명이 2~3백만 년 정도밖에 되지 않기 때문에 매우 어린 별무리에서 그 모습을 드러낸다. 
우리 미리내 전체에서도 이러한 유형에 속하는 무거운 별들은 얼마 되지 않는다.

 

[3] STIS의 관측 성능은 2009년에 재구축된 것이다.
이 작업은 허블우주망원경의 수리 및 업그레이드 임무 중 5번의 우주유영을 포함한 가장 도전적이면서 강도높은 임무였던 서비스 미션 4를 성공적으로 수행한 우주비행사들에 의해 가능했다.

[4] 다른 별무리에서는 이보다 훨씬 무거운 별들에 대한 자외선 신호가 수집되기도 했다. 
여기에는 난쟁이은하 NGC 3125와 NGC 5253도 포함되어 있다.  
그러나 대상이 된 별무리들은 하나같이 너무나 멀리 떨어져 있어 허블우주망원경으로도 개개의 별들이 구분되지 않는 상황이다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2016년 3월 17일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1605/

 

참고 : R136을 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.        
          https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

 

원문>

heic1605 — Science Release

Hubble unveils monster stars

17 March 2016

Astronomers using the unique ultraviolet capabilities of the NASA/ESA Hubble Space Telescope have identified nine monster stars with masses over 100 times the mass of the Sun in the star cluster R136. This makes it the largest sample of very massive stars identified to date. The results, which will be published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, raise many new questions about the formation of massive stars.

An international team of scientists using the NASA/ESA Hubble Space Telescope has combined images taken with the Wide Field Camera 3 (WFC3) with the unprecedented ultraviolet spatial resolution of the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) to successfully dissect the young star cluster R136 in the ultraviolet for the first time [1].

R136 is only a few light-years across and is located in the Tarantula Nebula within the Large Magellanic Cloud, about 170 000 light-years away. The young cluster hosts many extremely massive, hot and luminous stars whose energy is mostly radiated in the ultraviolet [2]. This is why the scientists probed the ultraviolet emission of the cluster.

As well as finding dozens of stars exceeding 50 solar masses, this new study was able to reveal a total number of nine very massive stars in the cluster, all more than 100 times more massive as the Sun. However, the current record holder R136a1 does keep its place as the most massive star known in the Universe, at over 250 solar masses. The detected stars are not only extremely massive, but also extremely bright. Together these nine stars outshine the Sun by a factor of 30 million.

The scientists were also able to investigate outflows from these behemoths, which are most readily studied in the ultraviolet. They eject up to an Earth mass of material per month at a speed approaching one percent of the speed of light, resulting in extreme weight loss throughout their brief lives.

“The ability to distinguish ultraviolet light from such an exceptionally crowded region into its component parts, resolving the signatures of individual stars, was only made possible with the instruments aboard Hubble,” explains Paul Crowther from the University of Sheffield, UK, and lead author of the study. “Together with my colleagues, I would like to acknowledge the invaluable work done by astronauts during Hubble’s last servicing mission: they restored STIS and put their own lives at risk for the sake of future science!” [3]

In 2010 Crowther and his collaborators showed the existence of four stars within R136, each with over 150 times the mass of the Sun. At that time the extreme properties of these stars came as a surprise as they exceeded the upper-mass limit for stars that was generally accepted at that time. Now, this new census has shown that there are five more stars with more than 100 solar masses in R136. The results gathered from R136 and from other clusters also raise many new questions about the formation of massive stars as the origin of these behemoths remains unclear [4].

Saida Caballero-Nieves, a co-author of the study, explains: “There have been suggestions that these monsters result from the merger of less extreme stars in close binary systems. From what we know about the frequency of massive mergers, this scenario can’t account for all the really massive stars that we see in R136, so it would appear that such stars can originate from the star formation process.”

In order to find answers about the origin of these stars the team will continue to analyse the gathered datasets. An analysis of new optical STIS observations will also allow them to search for close binary systems in R136, which could produce massive black hole binaries which would ultimately merge, producing gravitational waves.

“Once again, our work demonstrates that, despite being in orbit for over 25 years, there are some areas of science for which Hubble is still uniquely capable,” concludes Crowther.

Notes

1] R136 was originally listed in a catalogue of the brightest stars in the Magellanic Clouds compiled at the Radcliffe Observatory in South Africa. It was separated into three components a, b, c at the European Southern Observatory, with R136a subsequently resolved into a group of eight stars (a1-a8) at ESO, and confirmed as a dense star cluster with the NASA/ESA Hubble Space Telescope after the first servicing mission in 1993.

[2] Very massive stars are exclusive to the youngest star clusters because their lifetimes are only 2-3 million years. only a handful of such stars are known in the entire Milky Way galaxy.

[3] STIS’s capabilities were restored in 2009 by astronauts who successfully completed Serving Mission 4 (SM4), one of the Hubble’s most challenging and intense servicing missions, involving five spacewalks.

[4] The ultraviolet signatures of even more very massive stars have also been revealed in other clusters — examples include star clusters in the dwarf galaxies NGC 3125 and NGC 5253. However, these clusters are too distant for individual stars to be distinguished even with Hubble.

More information

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The results were published in the paper “The R136 star cluster dissected with Hubble Space Telescope/STIS. I. Far-ultraviolet spectroscopic census and the origin of Heii λ1640 in young star clusters” in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

The international team of astronomers in this study consists of Paul A. Crowther (Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, UK), S.M. Caballero-Nieves(Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, UK), K.A. Bostroem (Space Telescope Science Institute, Baltimore MD, USA; Department of Physics, University of California, Davis CA, USA), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC/INTA, Madrid, Spain), F.R.N. Schneider (Department of Physics, University of Oxford, Oxford, UK; Argelanger-Institut fur Astronomie der Universität Bonn, Bonn, Germany), N.R. Walborn(Space Telescope Science Institute, Baltimore MD, USA), C.R. Angus (Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Sheffield, UK; Department of Physics, University of Warwick, Coventry, UK), I. Brott (Institute for Astrophysics, Vienna, Austria), A. Bonanos (Institute of Astronomy & Astrophysics, National Observatory of Athens, P. Penteli, Greece), A. de Koter (Astronomical Institute Anton Pannekoek, University of Amsterdam, Amsterdam, Netherlands; Institute of Astronomy, Leuven, Belgium), S.E. de Mink (Astronomical Institute Anton Pannekoek, University of Amsterdam, Amsterdam, Netherlands), C.J. Evans (UK Astronomy Technology Centre, Royal Observatory Edinburgh, Edinburgh, UK), G. Gräfener (Armagh Observatory, Armagh, UK), A. Herrero (Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Tenerife, Spain; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, La Laguna, Tenerife, Spain), I.D. Howarth (Department of Physics & Astronomy, University College London, London, UK), N. Langer (Argelanger-Institut fur Astronomie der Universität Bonn, Bonn, Germany), D.J. Lennon (European Space Astronomy Centre, ESA, Villanueva de la Cañada, Madrid, Spain), J. Puls (Universitäts-Sternwarte, Munchen, Germany), H. Sana (Space Telescope Science Institute, Baltimore MD, USA; Institute of Astronomy, Leuven, Belgium), J.S. Vink (Armagh Observatory, Armagh, UK).

Links

• Images of Hubble
• Link to science paper
• Image of R136 taken in 2009
• ESO release on the discovery of R136a1 in 2010

Contacts

Paul Crowther
University of Sheffield
United Kingdom
Tel: +44-(0)114 222 4291
Email: paul.crowther@sheffield.ac.uk

Saida Caballero-Nieves
University of Sheffield
United Kingdom
Tel: +1 813 400 3765
Email: s.caballero@shef.ac.uk

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching, Germany
Tel: +49 176 62397500
Email: mjaeger@partner.eso.org