전갈자리 AR별 (AR Scorpii, AR Sco) : 독특한 이중별

Credit:M. Garlick/University of Warwick/ESO

그림 1>

이 상상화는 독특한 이중별 전갈자리 AR별을 그린 것이다.

빠르게 자전하는 백색난쟁이별(오른쪽)은 전자를 거의 빛의 속도에 육박하느 속도까지 올리고 있다.

이렇게 고에너지 상태로 들뜬 입자들이 몰아쳐나와 짝꿍별인 적색난쟁이별(왼쪽)을 강타하면서 자외선에서 라디오파까지 폭넓은 복사를 만들어 내고, 1.97분 단위의 드라마틱한 밝기 변화를 보이는 깜빡이별로 만들고 있다.

 

 

천문학자들이 ESO 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT) 및 지상과 우주에 있는 여러 망원경을 이용하여 새로운 유형의 독특한 이중별을 발견했다. 

전갈자리 AR별의 구성원 하나는 빠르게 자전하는 백색난쟁이별인데 이 회전에 의해 전자들이 거의 빛의 속도에 육박하는 속도까지 가속되고 있다.

이렇게 들뜬 고에너지 입자들이 몰아쳐나와 짝꿍별인 적색난쟁이별을 강타하고 있으며 그 결과 이 두 개 별은 매 1.97분을 주기로 자외선 파장에서 라디오파장에 이르는 드라마틱한 복사를 뿜어내고 있다.

이번 연구 결과는 2016년 7월 28일 네이처지에 발표되었다.

 

2015년 5월, 독일과 벨기에, 영국의 아마추어 천문학자들이 자신들이 이제껏 본 적이 없는 행동양상을 보이는 다중별계를 맞닥뜨렸다. 

워릭대학교는 지상과 우주에 위치한 다양한 망원경들을 이용하여 후속 관측을 진행했으며 이를 통해 이 이중별계가 예전에 알지못했던 새로운 특성을 가지고 있음을 알아냈다.[1]

 

전갈자리 AR 별(AR Scorpii, AR Sco)은 지구로부터 380 광년 거리에 위치하고 있다. 

이 이중별은 지구정도의 크기를 가지고 있으나 질량은 지구 질량의 20만배에 달하는 빠르게 자전하는 백색난쟁이별[2]과 태양대비 3분의 1 정도 질량을 가지고 있는 적색난쟁이별[3]로 구성되어 있다.
이들은 서로에 대해 3.6시간 단위로 공전하고 있는데 그 주기가 너무나 정확해서 우주의 시계로도 활용할 수 있는 수준이다. 

 

이 이중별은 독특한 움직임 속에서 파괴적인 행동을 보여주기도 한다.

 

전갈자리 AR별의 백색난쟁이별은 강력한 자기장 속에서 빠르게 회전하면서 전자를 거의 빛의 속도에 육박하는 수준까지 가속시킨다. 

이 고에너지 입자들이 우주공간을 휩쓸면서 등대처럼 빛줄기를 뿜어내게 되는데 이렇게 쏟아져 나온 빛줄기가 온도가 낮은 적색난쟁이별 표면 전역을 강타하고 있다.
이러한 현상은 1.97분 단위로 이 이중별계를 밝아졌다 어두워졌다 하게 만드는 원인이 되고 있다. 

이 강력한 펄스에는 라디오파 복사가 포함되어 있는데 이는 지금까지 그 어떤 백색난쟁이별에서도 감지되지 않았던 현상이다.

 

워릭대학교 천체물리학 연구그룹의 수석 연구원인 톰 마쉬(Tom Marsh)의 설명은 다음과 같다.
"전갈자리 AR 별이 처음으로 발견된 것은 40년 전입니다.
 그러나 그 특성은 2015년에 우리가 관측을 시작할 때까지 전혀 눈길을 끌지 못했죠.
 우리는 관측을 시작한지 몇 분 되지 않아 뭔가 이 별이 우리가 알고 있던 별과는 전혀 다르다는 것을 알아차렸죠."
 
이번에 관측된 전갈자리 AR 별의 속성은 정말 독특하며 신비롭기까지 하다.

대단히 폭넓은 주기를 보여주는 복사는 이 복사가 자기장에서 추동된 전자로부터 나오고 있음을 말해주고 있다.
이는 전갈자리 AR 별이 빠르게 자전하는 백색난쟁이별이라는 점에서 충분히 설명될 수 있다.

 

그러나 이 전자의 원천 자체는 여전히 가장 큰 수수께끼이다.
이 전자들이 백색난쟁이별에서 유래한 것인지 아니면 백색난쟁이별보다는 차가운 짝꿍별에서 유래한 것인지 명확하지 않은 것이다.

 

전갈자리 AR 별이 처음으로 관측된 것은 1970년대 초반이다.
당시 밝기는 매 3.6시간 단위로 주기적인 변화를 보여주고 있었기 때문에 이 별은 그저 하나의 깜빡이별로 간주되었었다. [4]

 

전갈자리 AR 별의 밝기 변화에 대한 진짜 이유는 아마추어 천문학자들 및 프로 천문학자들과의 협업에 의해 규명될 수 있었다.

 

유사한 변화를 보이는 별이 예전에도 관측된바 있지만 그것은 백색난쟁이별이 아닌 우주에서 가장 높은 밀도를 가지고 있는 천체인 중성자별이었다.

 

이번 논문의 공동저자인 워릭 대학 보르시 갠지케(Boris Gänsicke)의 설명은 다음과 같다. 

 

"깜빡이 중성자별에 대한 우리의 지식은 거의 50여년간 축적되어왔습니다.
 어떤 이론들은 백색난쟁이별이 중성자별과 유사한 행동을 보일 것이라고 예견하고 있죠.
 우리가 이를 증명해줄 수 있는 이중별계를 발견했다는 것은 정말 멋진 일입니다.
 또한 이번 발견은 아마추어와 프로가 함께 협업을 통해 만들어낸 환상적인 결과의 일례가 될 수도 있죠."

 

 

Credit:ESO/IAU and Sky & Telescope

 

 

표1> 이 표는 전갈자리에 위치한 독특한 이중별 전갈자리 AR별의 위치를 보여주고 있다.

       표 상의 별들은 어둡고 청명한 밤하늘에서라면 맨눈으로 볼 수 있는 별들이며 전갈자리 AR별의 위치는 붉은 색 원으로 표시되어 있다.

 

 

Credit:Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

 

사진1> DSS2의 일환으로 촬영된 이 광대역 사진은 독특한 이중별 전갈자리 AR별과 그 주변의 모습을 보여주고 있다. 

 

 

각주

 

[1] 이번 관측에 참여한 망원경은 다음과 같다.
칠레 체로 파라날에 자리잡고 있는 ESO의 VLT,
스페인 카나리제도 라팔마 섬의 아이작 뉴턴 망원경군에 속하는 윌리엄 허셜 망원경과 아이삭 뉴턴 망원경,
호주 나라브리에 자리잡고 있는 폴 와일드 천문대의 호주 망원경 콤팩트 배열,
허블우주망원경 및 NASA 의 스위프트 위성.

 

[2] 백색난쟁이별은 태양 질량 대비 최대 8배 정도 폭의 질량을 가진 별이 삶의 마지막 단계에 다다르게 되는 별이다. 
별 중심에서 핵융합에 쓰이는 수소가 모두 고갈되면 별은 내적 변화로 인해 적색거성으로 드라미틱한 팽창을 하게 된다.
이어진 수축은 별의 외피가 우주공간으로 쏟아져나가는 결과를 가져오고, 이로부터 장대한 가스와 먼지의 우주구름이 만들어진다. 
이로부터 남겨지는 것이 백색난쟁이별로서 그 크기는 지구 정도의 크기에 지나지 않지만 그 밀도는 20만배 이상에 달한다. 
따라서 백색난쟁이별에서 어떤 물질을 티스푼 하나만큼 떼어내면 그 질량은 지구에서 코끼리 한 마리의 질량과 맞먹는 수준이 된다.

 

[3] 적색난쟁이별은 M 유형의 별이다. 
별을 각자의 분광특성에 따라 분류하여 하나의 알파벳으로 표기한 하바드 별분류 시스템에 따르면 M유형은 가장 일반적인 유형의 별이다.
O/B/A/F/G/K/M으로 표기되는 이 별들의 유형을 기억하는 것은 까다롭기로 유명한데 대개  "Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me" 라는 문장으로 기억되곤 한다. 

 

[4] 깜빡이별이란 지구에서 봤을 때 밝기의 변화를 나타내는 별을 말한다.

이러한 밝기의 변화는 별 자체가 가지고 있는 본질적인 속성이 변화하기 때문일 수도 있다. 
예를 들어 어떤 별들은 현저하게 수축과 팽창을 반복하며 밝기의 변화를 만들어내고 또 어떤 별들은 동반 천체가 주기적으로 별빛을 막아서면서 밝기의 변화를 유발시키기도 한다. 
하나의 깜빡이별로 오해되었었던 전갈자리 AR별은 두 개의 별이 서로 공전하면서 주기적인 뱕기의 변화를 만들어내는 경우였다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 7월 27일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1627/

 

 

원문>

eso1627 — Science Release

White Dwarf Lashes Red Dwarf with Mystery Ray

27 July 2016

Astronomers using ESO’s Very Large Telescope, along with other telescopes on the ground and in space, have discovered a new type of exotic binary star. In the system AR Scorpii a rapidly spinning white dwarf star powers electrons up to almost the speed of light. These high energy particles release blasts of radiation that lash the companion red dwarf star, and cause the entire system to pulse dramatically every 1.97 minutes with radiation ranging from the ultraviolet to radio. The research will be published in the journal Nature on 28 July 2016.

In May 2015, a group of amateur astronomers from Germany, Belgium and the UK came across a star system that was exhibiting behaviour unlike anything they had ever encountered. Follow-up observations led by the University of Warwick and using a multitude of telescopes on the ground and in space [1], have now revealed the true nature of this previously misidentified system.

The star system AR Scorpii, or AR Sco for short, lies in the constellation of Scorpius, 380 light-years from Earth. It comprises a rapidly spinning white dwarf [2], the size of Earth but containing 200 000 times more mass, and a cool red dwarf companion one third the mass of the Sun [3], orbiting one another every 3.6 hours in a cosmic dance as regular as clockwork.

In a unique twist, this binary star system is exhibiting some brutal behaviour. Highly magnetic and spinning rapidly, AR Sco’s white dwarf accelerates electrons up to almost the speed of light. As these high energy particles whip through space, they release radiation in a lighthouse-like beam which lashes across the face of the cool red dwarf star, causing the entire system to brighten and fade dramatically every 1.97 minutes. These powerful pulses include radiation at radio frequencies, which has never been detected before from a white dwarf system.

Lead researcher Tom Marsh of the University of Warwick’s Astrophysics Group commented: “AR Scorpii was discovered over 40 years ago, but its true nature was not suspected until we started observing it in 2015. We realised we were seeing something extraordinary within minutes of starting the observations.”

The observed properties of AR Sco are unique. They are also mysterious. The radiation across a broad range of frequencies is indicative of emission from electrons accelerated in magnetic fields, which can be explained by AR Sco’s spinning white dwarf. The source of the electrons themselves, however, is a major mystery — it is not clear whether it is associated with the white dwarf itself, or its cooler companion.

AR Scorpii was first observed in the early 1970s and regular fluctuations in brightness every 3.6 hours led it to be incorrectly classified as a lone variable star [4]. The true source of AR Scorpii’s varying luminosity was revealed thanks to the combined efforts of amateur and professional astronomers. Similar pulsing behaviour has been observed before, but from neutron stars — some of the densest celestial objects known in the Universe  — rather than white dwarfs.

Boris Gänsicke, co-author of the new study, also at the University of Warwick, concludes: "We've known pulsing neutron stars for nearly fifty years, and some theories predicted white dwarfs could show similar behaviour. It's very exciting that we have discovered such a system, and it has been a fantastic example of amateur astronomers and academics working together."

Notes

[1] The observations underlying this research were carried out on: ESO’s Very Large Telescope (VLT) located at Cerro Paranal, Chile; the William Herschel and Isaac Newton Telescopes of the Isaac Newton Group of telescopes sited on the Spanish island of La Palma in the Canaries; the Australia Telescope Compact Array at the Paul Wild Observatory, Narrabri, Australia; the NASA/ESA Hubble Space Telescope; and NASA's Swift satellite.

[2]  White dwarfs form late in the life cycles of stars with masses up to about eight times that of our Sun. After hydrogen fusion in a star’s core is exhausted, the internal changes are reflected in a dramatic expansion into a red giant, followed by a contraction accompanied by the star’s outer layers being blown off in great clouds of dust and gas. Left behind is a white dwarf, Earth-sized but 200 000 times more dense. A single spoonful of the matter making up a white dwarf would weigh about as much as an elephant here on Earth.

[3] This red dwarf is an M type star. M type stars are the most common class in the Harvard classification system, which uses single letters to group stars according their spectral characteristics. The famously awkward to remember sequence of classes runs: OBAFGKM, and is often remembered using the mnemonic Oh Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me.

[4] A variable star is one whose brightness fluctuates as seen from Earth. The fluctuations may be due to the intrinsic properties of the star itself changing. For instance some stars noticeably expand and contract. It could also be due to another object regularly eclipsing the star. AR Scorpii was mistaken for a single variable star as the orbiting of two stars also results in regular fluctuations in observed brightness.

More information

This research was presented in a paper entitled “A radio pulsing white dwarf binary star”, by T. Marsh et al., to appear in the journal Nature on 28 July 2016.

The team is composed of  T.R. Marsh (University of Warwick, Coventry, UK), B.T. Gänsicke (University of Warwick, Coventry, UK),  S. Hümmerich (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V., Germany; American Association of Variable Star Observers (AAVSO), USA) , F.-J. Hambsch (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V., Germany; American Association of Variable Star Observers (AAVSO), USA; Vereniging Voor Sterrenkunde (VVS), Belgium), K. Bernhard (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V., Germany; American Association of Variable Star Observers (AAVSO),USA), C.Lloyd (University of Sussex, UK), E. Breedt (University of Warwick, Coventry, UK), E.R. Stanway (University of Warwick, Coventry, UK), D.T. Steeghs (University of Warwick, Coventry, UK), S.G. Parsons (Universidad de Valparaiso, Chile), O. Toloza (University of Warwick, Coventry, UK), M.R. Schreiber (Universidad de Valparaiso, Chile), P.G. Jonker (Netherlands Institute for Space Research, The Netherlands; Radboud University Nijmegen, The Netherlands), J. van Roestel (Radboud University Nijmegen, The Netherlands), T. Kupfer (California Institute of Technology, USA), A.F. Pala (University of Warwick, Coventry, UK) , V.S. Dhillon (University of Sheffield, UK; Instituto de Astrofisica de Canarias, Spain; Universidad de La Laguna, Spain), L.K. Hardy (University of Warwick, Coventry, UK; University of Sheffield, UK), S.P. Littlefair (University of Sheffield, UK), A. Aungwerojwit (Naresuan University, Thailand),  S. Arjyotha (Chiang Rai Rajabhat University, Thailand), D. Koester (University of Kiel, Germany),  J.J. Bochinski (The Open University, UK), C.A. Haswell (The Open University, UK), P. Frank (Bundesdeutsche Arbeitsgemeinschaft für Veränderliche Sterne e.V., Germany) and P.J. Wheatley (University of Warwick, Coventry, UK).

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”.

Links

• Research paper
• Photos of the VLT

Contacts

Tom Marsh
Department of Physics, University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel: +44 24765 74739
Email: t.r.marsh@warwick.ac.uk

Boris Gänsicke
Department of Physics, University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel: +44 24765 74741
Email: Boris.Gaensicke@warwick.ac.uk

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

Connect with ESO on social media