HD 131399Ab : 삼중별계에서 발견된 외계행성

 

Credit: ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 상상화는 다중별계 HD 131399 의 별 3개와 그 주위를 돌고 있는 거대한 행성을 그린 것이다.
이 행성의 이름은 HD 131399Ab이며 그림 하단 왼쪽에 자리잡고 있다.
켄타우루스자리 방향으로 지구로부터 320광년 거리에 위치하는 HD 131399Ab는 1,600만년의 나이를 가지고 있는데 이는 지금까지 발견된 외계행성으로는 가장 어린 나이에 해당한다.
또한 이 행성은 직접적으로 사진이 촬영된 극소수의 행성 중 하나이기도 하다.
이 행성의 온도는 섭씨 약 580도이며 질량은 목성 질량의 4배에 해당하는 것으로 예측된다.
따라서 이 행성은 직접적으로 사진이 촬영된 행성으로는 가장 낮은 온도와 가장 적은 질량을 가진 행성이다.

 

그림 2>  Credit: ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착된 SPHERE를 이용하여 삼중별계를 넓은 공전궤도를 그리며 돌고 있는 행성을 처음으로 촬영해냈다.
다중별계의 행성은 자신이 몸답고 있는 지역에서 빠르게 밀려나오게 되는 상당히 불안정한 공전궤도를 가지고 있을 것으로 예측되어왔다.
그런데 어떻게 된 것인지 이 행성은 여전히 살아남아 있다.
이러한 예상밖의 관측은 이와 같은 행성계가 예전에 생각했던 것보다 상당히 일반적인 행성계의 형태일수도 있음을 말해주는 것이다.
이번 연구 결과는 2016년 7월 7일 사이언스 온라인판에 개재되었다.
 

스타워즈 이야기에서 루크 스카이워커의 고향 행성인 테투인은 하늘에 두 개의 태양이 떠 있는 이상한 행성이다.
그러나 천문학자들이 이보다도 훨씬 독특한 곳에 자리잡은 행성 하나를 발견했다.
이 행성에 있는 사람들은 사람의 수명보다도 훨씬 오래 지속되는 각 계절에 따라 하루 종일 낮이거나 매일 3개의 태양이 뜨고 지는 모습을 바라보고 있을 것이다.

 

이 행성은 아리조나 대학이 이끄는 천문연구팀에 의해 발견되었으며 ESO의 VLT를 이용하여 직접적으로 사진이 촬영되었다.

 

HD 131399Ab[1] 라는 이름의 이 행성은 지금까지 알려진 그 어떤 세계와도 같지 않다.
세 개의 별들 중 가장 밝은 별 하나를 휘감고 있는 이 행성의 공전궤도는 다중별계에 있는 행성의 공전궤도로서는 지금까지 알려져 있는 공전궤도 중 가장 넓은 공전궤도를 유지하고 있다.

 

Credit: ESO

그림 3> 이 그림은 삼중별계 HD 131399 에서 행성의 공전궤도를 빨간색으로 보여주고 있다.
별들의 공전궤도는 파란색으로 표시되어 있다.
이 행성은 가장 밝은 별 HD 131399A 주위를 공전하고 있다.

 

이러한 공전궤도는 또다른 두 개 별로부터 발생하는 중력의 변화와 그 복잡성 때문에 자주 불안정한 상태에 빠지게 될 것이고 따라서 행성이 안정된 공전궤도를 유지할 것으로는 생각되지 않았다.

 

센타우루스자리 방향으로 지구로부터 320광년 거리에 위치하는 HD 131399Ab는 1,600만년의 나이를 가지고 있는데 이는 지금까지 발견된 외계행성으로는 가장 어린 나이에 해당한다.
또한 이 행성은 직접적으로 사진이 촬영된 극소수의 행성 중 하나이다.

 

Credit: ESO/K. Wagner et al.

 

사진 1> 이 사진은 삼중별계 HD 131399 안에서 새로 발견된 외계행성 HD 131399Ab 를 촬영한 합성 사진이다.
행성의 사진은 ESO VLT에 장착된 SPHERE에 의해 촬영되었다.
이 행성은 SPHERE가 발견한 첫번째 외계행성이며 직접적으로 그 모습이 촬영된 극소수의 외계행성 중 하나이다.
이 사진은 서로 떨어져 있는 2개의 SPHERE 관측에 의해 만들어진 것이다.
그 중 하나는 3개의 별을 촬영하였고, 다른 하나는 이 희미한 행성만을 촬영하였다.
사진에서 행성은 별들과 비교했을 때 실제보다 훨씬 더 밝게 보이도록 처리되었다.

 

이 행성의 온도는 섭씨 약 580도이며 질량은 목성 질량의 4배에 해당하는 것으로 예측된다.
따라서 이 행성은 직접적으로 사진이 촬영된 행성으로는 가장 낮은 온도에 가장 적은 질량을 가진 행성이기도 하다.

 

이번 논문의 공동저자 중 한 명인 다니엘 아파이(Daniel Apai)의 소감은 다음과 같다.
"HD 131399Ab는 직접적으로 사진이 촬영된 몇 안되는 행성 중 하나입니다.
또한 이처럼 흥미로운 역학적 속성을 가진 행성으로는 정말 유일한 행성이기도 하죠."

 

HD 131399Ab의 발견자인 논문의 제1저자 케빈 와그너(Kevin Wagner)의 설명은 다음과 같다.
"이 행성의 전체 공전궤도 주기의 반 정도에 해당하는 550년 동안은 세 개의 별이 하늘에 모두 보일 것입니다.
아주 가까이 붙어 있는 두 개의 희미한 별과 가장 밝은 별과의 겉보기 간극도 1년동안 계속 변화하죠."[2]

 

아리조나대학의 박사과정에 있는 케빈 와그너는 수백 개의 행성 후보 천체 중에서 이 행성을 식별해 냈고, 그 특성을 식별해 내는 후속 연구를 이끌었다.

 

이 행성은 또한 VLT에 장착된 SPHERE가 발견한 첫번째 외계행성이기도 하다.

 

SPHERE는 적외선 대역에 민감하게 반응하여 대기의 교란을 보정하는 정교한 기재와 함께 가시광선에서 행성을 가리게 되는 막대한 별빛을 차단하고 어린 행성의 열 신호를 포착해 낼 수 있는 장비이다.

 

비록 이 별들 사이에서 행성의 궤적을 정확하게 파악하기 위해서는 좀더 오랜 시간의 반복관측이 필요하겠지만 지금까지의 관측과 시뮬레이션은 다음과 같은 시나리를 가능하게 해준다.

 

우선 가장 밝은 별은 HD 131399A라는 이름의 태양보다 8%정도 더 무거운 별이다.
이 별 주위를 덜 무거운 HD 131399B와 HD 131399C가 300AU 거리에서 돌고 있다.

 

한편 HD 131399B와 HD 131399C 는 마치 아령처럼 서로 마주보고 돌고 있는데 이들간의 거리는 태양에서 토성까지의 거리에 해당하는 약 10AU이다.

 

시나리오에 따르면 HD 131399Ab는 HD 131399A별을 약 80AU 거리에서 돌고 있다.
이는 태양과 플루토 거리의 약 2배에 해당하는 거리이며 이 행성은 A별과 B/C별 사이 3분의 1지점까지 접근하고 있다.

 

논문의 저자들은 이러한 공전궤도 시나리오가 가능하다는 점을 지적하고 있다. 
그리고 이러한 행성계의 장기간에 걸친 안정성에 대해서는 이 행성의 공전궤도를 한층 더 구체화하는 것을 목표로 하는 후속 연구결과가 나올때까지 그 판정이 유예될 것이다.

 

아파이의 설명은 다음과 같다.
"행성이 가장 무거운 별로부터 더 멀리 있었다면 이 행성은 우주공간으로 채여나갔을 것입니다.
반면 이번에 우리가 실행한 컴퓨터 시뮬레이션에서는 현재의 공전궤도가 안정된 상태를 유지할 수 있음을 보여주고 있죠.
그러나 여기에 약간이라도 변화가 있다면 바로 불안정한 상태로 빠져들게 될 겁니다."

 

다중별계에 있는 행성은 천문학자들과 행성과학자들에게는 특별한 호기심을 불러일으킨다.
왜냐하면 이처럼 극단적인 시나리오는 행성의 형성에 작용하는 역학관계를 알 수 있는 예를 제공해주기 때문입니다.

 

하나의 별 주위를 공전하는 우리에게 이러한 다중별계는 매우 낯선 풍경이지만 사실 다중별계는 별 하나만이 존재하는 곳만큼이나 일반적인 현상이다.

 

케빈 와그너의 소감은 다음과 같다.
"이처럼 극단적인 형태에서 넓은 공전궤도를 가지는 이 행성이 어떤 결과를 맞게 될지는 아무도 모릅니다.
우리는 아직 이러한 현상이 행성계의 유형에 대한 우리의 이해를 넓히고 있다고 단언하지 못하는 상태입니다.
그러나 이 행성계는 우리가 상상했던 것보다도 더 많은 다양성이 있음을 보여주고 있습니다.
우리가 알고 있는 유일한 점은 다중별계에 있는 행성에 대해서 거의 연구가 되지 않았다는 것입니다.
어쨌든 하나의 별로 구성된 행성계에 여러 행성이 있듯이 이런 곳에서도 여러 개의 행성이 있을 가능성은 충분합니다."

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

사진 2> 이 광대역사진은 켄타우루스자리의 한 부분을 찰영한 것으로 사진의 중심에는 HD 131399 삼중별이 자리잡고 있다. 

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 것이다.
HD 131399가 사진의 한가운데에서 중간정도의 밝기를 가진 별로 보인다.

 

Credit: ESO/IAU and Sky & Telescope

표1> 이 표는 남반구의 거대한 별자리인 캔타우루스자리에서 삼중별 HD 131399의 위치를 보여주고 있다.
독특한 행성 HD 131399Ab 가 공전하고 있는 가장 밝은 별 HD 131399A는 맨눈으로는 볼 수 없는 밝기이지만 쌍안경으로는 관측이 가능하다.

이 별의 위치가 붉은색 원으로 표시되어 있다.

 

각주

[1] 삼중별을 구성하는 세 개의 별의 이름은 각각 밝기 순서대로 HD 131399A, HD 131399B, HD 131399C 로 지어졌다.
이번에 발견된 행성은 이중에서 가장 밝은 별 주위를 돌고 있으며 따라서 그 이름은 HD 131399Ab이다.

 

[2] 이 행성의 1년 중 대부분의 기간동안 행성의 하늘에서 별들은 서로 가까이 몰려 있다.
따라서 3개의 태양이 동시에 해돋이와 해넘이를 연출하는 독특한 풍경이 일상화되어 있다.
행성이 공전궤도 상에서 움직임을 계속할수록 별들은 서로서로 간격을 넓혀가게 되는데, 이러한 현상은 별 하나의 해넘이가 나머지 별들의 해돋이와 동시에 일어날때까지 계속된다.
이러한 일이 일어나는 구간은 이 행성의 공전궤도 상에서 140 여년동안 유지되는 4분의 1정도 구간에 해당되며 이 때 이 행성은 온종일이 낮인 상태가 지속된다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 7월 7일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1624/

 

참고 : HD 131399Ab를 비롯한 각종 외계행성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
         https://big-crunch.tistory.com/12346973

 

 

원문>

eso1624 — Science Release

A Surprising Planet with Three Suns

7 July 2016

A team of astronomers have used the SPHERE instrument on ESO’s Very Large Telescope to image the first planet ever found in a wide orbit inside a triple-star system. The orbit of such a planet had been expected to be unstable, probably resulting in the planet being quickly ejected from the system. But somehow this one survives. This unexpected observation suggests that such systems may actually be more common than previously thought. The results will be published online in the journal Science on 7 July 2016.

Luke Skywalker's home planet, Tatooine, in the Star Wars saga, was a strange world with two suns in the sky, but astronomers have now found a planet in an even more exotic system, where an observer would either experience constant daylight or enjoy triple sunrises and sunsets each day, depending on the seasons, which last longer than human lifetimes.

This world has been discovered by a team of astronomers led by the University of Arizona, USA, using direct imaging at ESO’s Very Large Telescope (VLT) in Chile. The planet, HD 131399Ab [1], is unlike any other known world — its orbit around the brightest of the three stars is by far the widest known within a multi-star system. Such orbits are often unstable, because of the complex and changing gravitational attraction from the other two stars in the system, and planets in stable orbits were thought to be very unlikely.

Located about 320 light-years from Earth in the constellation of Centaurus (The Centaur), HD 131399Ab is about 16 million years old, making it also one of the youngest exoplanets discovered to date, and one of very few directly imaged planets. With a temperature of around 580 degrees Celsius and an estimated mass of four Jupiter masses, it is also one of the coldest and least massive directly-imaged exoplanets.

"HD 131399Ab is one of the few exoplanets that have been directly imaged, and it's the first one in such an interesting dynamical configuration," said Daniel Apai, from the University of Arizona, USA, and one of the co-authors of the new paper.

"For about half of the planet’s orbit, which lasts 550 Earth-years, three stars are visible in the sky; the fainter two are always much closer together, and change in apparent separation from the brightest star throughout the year," adds Kevin Wagner, the paper's first author and discoverer of HD 131399Ab [2].

Kevin Wagner, who is a PhD student at the University of Arizona, identified the planet among hundreds of candidate planets and led the follow-up observations to verify its nature.

The planet also marks the first discovery of an exoplanet made with the SPHERE instrument on the VLT. SPHERE is sensitive to infrared light, allowing it to detect the heat signatures of young planets, along with sophisticated features correcting for atmospheric disturbances and blocking out the otherwise blinding light of their host stars.

Although repeated and long-term observations will be needed to precisely determine the planet's trajectory among its host stars, observations and simulations seem to suggest the following scenario: the brightest star is estimated to be eighty percent more massive than the Sun and dubbed HD 131399A, which itself is orbited by the less massive stars, B and C, at about 300 au (one au, or astronomical unit, equals the average distance between the Earth and the Sun). All the while, B and C twirl around each other like a spinning dumbbell, separated by a distance roughly equal to that between the Sun and Saturn (10 au).

In this scenario, planet HD 131399Ab travels around the star A in an orbit with a radius of about 80 au, about twice as large as Pluto’s in the Solar System, and brings the planet to about one third of the separation between star A and the B/C star pair. The authors point out that a range of orbital scenarios is possible, and the verdict on the long-term stability of the system will have to wait for planned follow-up observations that will better constrain the planet’s orbit.

"If the planet was further away from the most massive star in the system, it would be kicked out of the system," Apai explained. "Our computer simulations have shown that this type of orbit can be stable, but if you change things around just a little bit, it can become unstable very quickly."

Planets in multi-star systems are of special interest to astronomers and planetary scientists because they provide an example of how the mechanism of planetary formation functions in these more extreme scenarios. While multi-star systems seem exotic to us in our orbit around our solitary star, multi-star systems are in fact just as common as single stars.

"It is not clear how this planet ended up on its wide orbit in this extreme system, and we can't say yet what this means for our broader understanding of the types of planetary systems, but it shows that there is more variety out there than many would have deemed possible," concludes Kevin Wagner. "What we do know is that planets in multi-star systems have been studied far less often, but are potentially just as numerous as planets in single-star systems."

Notes

[1] The three components of the triple star are named HD 131399A, HD 131399B and HD 131399C respectively, in decreasing order of brightness. The planet orbits the brightest star and hence is named HD 131399Ab.

[2] For much of the planet’s year the stars would appear close together in the sky, giving it a familiar night-side and day-side with a unique triple sunset and sunrise each day. As the planet moves along its orbit the stars grow further apart each day, until they reach a point where the setting of one coincides with the rising of the other — at which point the planet is in near-constant daytime for about one-quarter of its orbit, or roughly 140 Earth-years.

More information

This research was presented in a paper entitled “Direct Imaging Discovery of a Jovian Exoplanet Within a Triple Star System”, by K. Wagner et al., to appear online in the journal Science on 7 July 2016.

The team is composed of Kevin Wagner (Steward Observatory, The University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), Dániel Apai (Steward Observatory and Lunar and Planetary Laboratory, The University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), Markus Kasper (ESO, Garching, Germany), Kaitlin Kratter (Steward Observatory, The University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), Melissa McClure (ESO, Garching, Germany), Massimo Robberto (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, USA) and Jean-Luc Beuzit (Université Grenoble Alpes, Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, Grenoble, France; Centre National de la Recherche Scientifique, Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, Grenoble, France).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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Kevin Wagner
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Tucson, USA
Tel: 00 1 (859) 609-3611
Email: kevinwagner@email.arizona.edu

Markus Kasper
ESO
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6359
Email: mkasper@eso.org

Daniel Apai
Steward Observatory, The University of Arizona
Tucson, USA
Email: apai@email.arizona.edu

Richard Hook
Public Information Officer, ESO
Garching bei München, Germany
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