2016. 8. 17. 23:13ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
그림1> 이 상상화는 오리온자리 V883 별 주위의 물얼음 한계선을 묘사한 것이다.
ALMA가 원시행성원반에서 물얼음 경계선을 처음으로 식별해냈다.
얼음 경계선(Snow Line)이란 어린 별을 둘러싼 먼지 원반에서 얼어붙기 충분할만큼 온도가 떨어지는 한계선을 말한다.
태어난지 얼마 되지 않은 어린별 오리온자리 V883 에서 나타난 급격한 밝기의 증가와 이 와중에서 발생한 섬광이 원시 행성원반의 안쪽을 데운 결과 일반적인 원시별보다 훨씬 더 먼 거리까지 물얼음 경계선이 밀려나가게 되었는데 이렇게 밀려나간 물얼음 경계선이 사상 처음으로 관측되었다.
이번 발견 결과는 2016년 7월 14일 네이처 지에 개재되었다.
갓 태어난 어린 별은 대개 그 주위를 도는 짙은 가스와 먼지 원반에 의해 둘러싸여 있다.
이 원반을 원시행성원반이라 부르는데 이 원반에서 행성이 만들어지는 것으로 생각되고 있다.
전형적인 태양과 같은 유형의 별이면서 탄생한지 얼마 되지 않는 어린 별이라면 원시행성원반에 포함되어 있는 물은 별로부터 약 3AU까지는 가스 상태로 존재하게 된다.[1]
이는 태양부터 지구까지 평균 거리의 3배가 약간 되지 않는 약 4억 5천만 킬로미터 거리에 해당한다.[2]
여기서 더 멀어지면 압력이 극단적으로 낮아지면서 물분자는 먼지나 다른 입자를 뒤덮는 얼음을 만들게 된다.
원시행성원반에서 물이 기체 상태에서 고체 상태로 뒤바뀌는 지역을 일컬어 물얼음 한계선(the water snow line)이라 한다. [3]
그런데 오리온자리 V883에서는 이 현상이 독특하게 나타난다.
이 별의 드라마틱한 밝기 변화가 물얼음 한계선을 약 40AU까지 밀어낸 것이다.
(이는 약 60억 킬로미터로서 태양계의 경우에 대입하면 태양으로부터 플루토까지의 거리에 해당한다.)
이처럼 어마어마하게 늘어난 거리로 인해, 루카스 쎄자(Lucas Cieza)가 이끄는 연구팀은 기다란 기선을 유지하는 ALMA의 해상도를 이용하여[4] 처음으로 원시행성원반의 물얼음 한계선을 식별해 낼 수 있었다.
사진1> ALMA가 장기선 모드에서 촬영한 오리온자리 V883과 그 주위를 두르고 있는 원시행성원반의 모습.
이 별은 현재 크고 작은 폭발이 이어지고 있으며 이러한 폭발에 의해 얼음한계선이 별로부터 멀리까지 밀려나 있는 상황이다.
바로 이러한 상황이 사상 처음으로 얼음한계선을 식별할 수 있도록 해 준 것이다.
원반의 중간에 보이는 어두운 고리가 바로 물얼음 한계선으로서 이 지점에서 온도는 물얼음이 결빙되는 온도까지 떨어진다.
오리온자리 V883에서 나타난 갑작스런 밝기의 증가는 이 별을 둘러싼 원반에서 상당한 물질들이 별로 추락했기 때문에 발생한 것일수도 있다.
오리온자리 V883의 질량은 태양 질량대비 1.3배 밖에 되지 않는다.
그러나 현재 진행되고 있는 폭발 덕분에 그 밝기 수준은 태양의 400 배에 달하고 있으며 온도도 훨씬더 뜨거운 상태이다.[5]
이번 논문의 주저자인 루카스 쎄자(Lucas Cieza)의 설명은 다음과 같다.
"ALMA의 관측결과는 정말 놀라운 모습으로 우리에게 다가왔습니다.
우리의 관측은 행성형성이론을 이끌어내기 위한 원시행성원반의 분절상태를 찾는 것에 초점이 맞추어져 있었습니다.
그러나 일체의 분절흔적을 찾아볼 수 없었죠.
그 대신 40AU의 폭으로 이 별을 둘러싸고 있는 고리와 같은 구조를 발견하였습니다.
이번 사건은 관측 대상 지역에 우리가 찾고자 했던 것은 없을지라도 여전히 흥미로운 결과를 찾아주는 ALMA의 다재다능한 능력을 제대로 보여주고 있는 사례입니다."
우주공간을 떠도는 눈덩이에 대한 독특한 아이디어는 이것이 행성 형성의 기초가 된다고 보는 것이다.
물얼음의 존재는 행성 형성의 첫 걸음이라 할 수 있는 먼지 알갱이들의 응결을 효율적으로 통제한다
얼음 한계선의 내부에서는 물이 기화되면서 우리 지구와 같은 비교적 작은 암석질 덩어리의 행성이 형성되는 것으로 추정되고 있다.
얼음 한계선 바깥쪽에서는 물얼음의 존재가 빠르게 우주의 눈뭉치가 생성되도록 만들며, 이는 결국 목성과 같은 거대한 질량의 가스상 행성들을 만드는 결과를 초래한다.
별의 폭발로 인해 물얼음 한계선이 전형적으로 나타나는 거리보다 대략 10배 정도 너 늘어났다는 이번 관측 결과는 행성 형성 이론의 발전에 있어서도 매우 중요한 결과이다.
이와 같은 폭발은 대부분의 행성계가 형성되는 과정에서 겪게되는 과정으로 생각되고 있기 때문에 이번 관측은 일상적으로 발생하는 일을 처음으로 관측해낸 것으로 생각되고 있다.
따라서 이번 관측은 우주전역에서 행성이 어떻게 형성되고 진화하는지에 대해 상당히 이해의 폭을 넓힐 수 있는 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.
그림 2> 이 그림은 오리온자리 V883의 폭발이 어떻게 물얼음 한계선을 별로부터 멀리까지 밀어내게 되는지를 묘사하고 있다.
사진 2> 크기 비교를 위해 오리온자리 V883 주위의 원시행성원반에 태양에 대한 해왕성과 플루토의 공전 궤도를 표시하였다.
표1> 이 표는 오리온자리 V883의 위치를 보여주고 있다.
표 상의 대부분의 별들은 청명한 밤하늘이라면 맨눈으로도 볼 수 있는 별들이다.
오리온자리 V883의 위치는 붉은 색 원으로 표시되어 있다.
이 별은 대단히 희미해서 관측을 위해서는 비교적 구경이 큰 아마추어 망원경이 필요하다.
이 별의 북서쪽 가까이에는 거대하고 찬란한 오리온 별구름이 자리잡고 있으며 이 별은 오리온 별구름과 물리적인 연관관계를 가지고 있다.
각주
[1] 1AU는 지구와 태양의 평균 거리로서 약 1억 4960만 킬로미터이다.
이 거리 단위는 태양계와 외계행성계 내의 거리 단위로 주로 사용된다.
[2] 물얼음 한계선은 태양계가 형성되던 당시 화성과 목성 사이에 자리잡고 있었다.
그 결과 이 한계선 내에서는 수성과 금성, 지구 및 화성과 같은 암석질 행성이 만들어졌고, 그 바깥쪽으로는 목성과 토성, 천왕성 및 해왕성과 같은 가스상 행성이 만들어졌다.
[3] 원시행성원반에서 물이 아닌 일산화탄소나 메탄 등, 다른 분자로 만들어지는 얼음 한계선은 예전 ALMA의 관측 결과에 의하면 원시별로부터 30AU 이상 떨어진 곳에 자리잡고 있다.
물의 경우는 상대적으로 높은 온도에서 얼어붙기 때문에 얼음 한계선은 일반적으로 자신의 별에 너무나 바짝 다가서 있게 되고, 이로인해 지금까지는 직접적인 관측이 어려웠던 것이다.
[4] 해상도란 대상 물체들간 떨어져 있는 거리를 식별해내는 능력이다.
사람의 눈에는 여러 개의 밝은 점들이 멀리 떨어져 있다면 하나의 점처럼 보이겠지만 훨씬 가까이 있는 점들은 서로 명확히 구분되어 보일 것이다.
이와같은 원리는 망원경에도 그대로 적용된다.
이번에 진행된 관측은 ALMA의 기다란 기선을 이용하여 최상의 해상도를 이뤄냈다.
오리온자리 V883 까지의 거리에서 구현가능한 ALMA의 해상도는 약 12AU이다.
이러한 해상도는 전형적인 어린 별의 관측에는 적당하지 않지만 폭발이 발생하고 있는 오리온자리 V883계에서 40AU 거리에 있는 물얼음 한계선을 식별해내기에는 충분한 값이다.
[5] 오리온자리 v883과 같은 별들은 이와 같은 행동양상을 보이는 별로는 처음으로 발견된 별의 이름을 따서 오리온자리 FU별로 구분된다.
지금 진행되고 있는 별의 크고작은 폭발은 수백년 동안 지속되는 것으로 추정되고 있다.
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release 2016년 7월 13일자
http://www.eso.org/public/news/eso1626/
참고 : 오리온자리 V883을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346972
원문>
eso1626 — Science Release
Stellar Outburst Brings Water Snow Line Into View
13 July 2016
The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has made the first ever resolved observation of a water snow line within a protoplanetary disc. This line marks where the temperature in the disc surrounding a young star drops sufficiently low for snow to form. A dramatic increase in the brightness of the young star V883 Orionis flash heated the inner portion of the disc, pushing the water snow line out to a far greater distance than is normal for a protostar, and making it possible to observe it for the first time. The results are published in the journal Nature on 14 July 2016.
Young stars are often surrounded by dense, rotating discs of gas and dust, known as protoplanetary discs, from which planets are born. The heat from a typical young solar-type star means that the water within a protoplanetary disc is gaseous up to distances of around 3 au from the star [1] — less than 3 times the average distance between the Earth and the Sun — or around 450 million kilometres [2]. Further out, due to the extremely low pressure, the water molecules transition directly from a gaseous state to form a patina of ice on dust grains and other particles. The region in the protoplanetary disc where water transitions between the gas and solid phases is known as the water snow line [3].
But the star V883 Orionis is unusual. A dramatic increase in its brightness has pushed the water snow line out to a distance of around 40 au (about 6 billion kilometres or roughly the size of the orbit of the dwarf planet Pluto in our Solar System). This huge increase, combined with the resolution of ALMA at long baselines [4], has allowed a team led by Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus and Universidad Diego Portales, Santiago, Chile) to make the first ever resolved observations of a water snow line in a protoplanetary disc.
The sudden brightening that V883 Orionis experienced is an example of what occurs when large amounts of material from the disc surrounding a young star fall onto its surface. V883 Orionis is only 30% more massive than the Sun, but thanks to the outburst it is experiencing, it is currently a staggering 400 times more luminous — and much hotter [5].
Lead author Lucas Cieza explains: “The ALMA observations came as a surprise to us. Our observations were designed to look for disc fragmentation leading to planet formation. We saw none of that; instead, we found what looks like a ring at 40 au. This illustrates well the transformational power of ALMA, which delivers exciting results even if they are not the ones we were looking for.”
The bizarre idea of snow orbiting in space is fundamental to planet formation. The presence of water ice regulates the efficiency of the coagulation of dust grains — the first step in planet formation. Within the snow line, where water is vapourised, smaller, rocky planets like our own are believed to form. Outside the water snow line, the presence of water ice allows the rapid formation of cosmic snowballs, which eventually go on to form massive gaseous planets such as Jupiter.
The discovery that these outbursts may blast the water snow line to about 10 times its typical radius is very significant for the development of good planetary formation models. Such outbursts are believed to be a stage in the evolution of most planetary systems, so this may be the first observation of a common occurrence. In that case, this observation from ALMA could contribute significantly to a better understanding of how planets throughout the Universe formed and evolved.
Notes
[1] ] 1 au, or one astronomical unit, is the mean distance between the Earth and the Sun, around 149.6 million kilometres.This unit is typically used to describe distances measured within the Solar System and planetary systems around other stars.
[2] This line was between the orbits of Mars and Jupiter during the formation of the Solar System, hence the rocky planets Mercury, Venus, Earth and Mars formed within the line, and the gaseous planets Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune formed outside.
[3] The snow lines for other molecules, such as carbon monoxide and methane, have been observed previously with ALMA, at distances of greater than 30 au from the protostar within other protoplanetary discs. Water freezes at a relatively high temperature and this means that the water snow line is usually much too close to the protostar to observe directly.
[4] Resolution is the ability to discern that objects are separate. To the human eye, several bright torches at a distance would seem like a single glowing spot, and only at closer quarters would each torch be distinguishable. The same principle applies to telescopes, and these new observations have exploited the exquisite resolution of ALMA in its long baseline modes. The resolution of ALMA at the distance of V883 Orionis is about 12 au — enough to resolve the water snow line at 40 au in this outbursting system, but not for a typical young star.
[5] Stars like V883 Orionis are classed as FU Orionis stars, after the original star that was found to have this behaviour. The outbursts may last for hundreds of years.
More information
This research was presented in a paper entitled “Imaging the water snow-line during a protostellar outburst”, by L. Cieza et al., to appear in Nature on 14 July 2016.
The team is composed of Lucas A. Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus; Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), Simon Casassus (Universidad de Chile, Santiago, Chile), John Tobin (Leiden Observatory, Leiden University, The Netherlands), Steven Bos (Leiden Observatory, Leiden University, The Netherlands), Jonathan P. Williams (University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawai`i, USA), Sebastian Perez (Universidad de Chile, Santiago, Chile), Zhaohuan Zhu (Princeton University, Princeton, New Jersey, USA), Claudio Cáceres (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chile), Hector Canovas (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chile), Michael M. Dunham (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Antonio Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), Jose L. Prieto (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), David A. Principe (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), Matthias R. Schreiber (Universidad Valparaiso, Valparaiso, Chile), Dary Ruiz-Rodriguez (Australian National University, Mount Stromlo Observatory, Canberra, Australia) and Alice Zurlo (Universidad Diego Portales & Universidad de Chile, Santiago, Chile).
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