SAO 244567 : 천문학자들이 섬광속에서 재탄생의 과정에 있는 별을 관측하다.

Credit:ESA/Hubble & NASA

 

사진1> 노랑가오리성운이라 알려져 있는 이 행성상성운은 지구로부터 2,700 광년 거리에 위치하고 있다.
이 사진은 1998년 허블우주망원경의 WFPC2로 촬영된 것이다.

이 성운의 정 중앙에 빠른 진화양상을 보이는 별 SAO 244567이 자리잡고 있다.

지난 45년 상관의 관측데이터에 따르면 이 별의 표면 온도는 거의 4만도까지 갑작스럽게 치솟았다. 

그러나 이 별에 대한 새로운 분광관측 결과 SAO 244567의 온도는 다시 식어가고 있는 중이라고 한다.

 

천문학자들로 구성된 국제연구팀이 허블우주망원경을 이용하여 별의 진화양상을 실시간으로 연구할 수 있었다.

SAO 244567이라는 이름의 별의 온도가 30년에 걸쳐 드라마틱하게 증가되는 양상이 관측된 것이다.

현재 이 별의 온도는 다시 식어가면서 별의 진화 초기 단계로 재탄생의 과정을 겪고 있다.

그 결과 재탄생의 과정에서 온도가 올라갔다가 식어가기를 반복하는 양상이 처음으로 관측된 재탄생의 별 사례가 되었다.

 

우주는 항구적으로 변화를 계속하고 있지만 대부분의 변화 과정은 인간의 짧은 수명 범위에서 관측하기에는 너무나 천천히 변해간다.

그런데 이번에 천문학자들로 구성된 국제연구팀이 이러한 규칙에 예외가 되는 관측을 수행해냈다.

이번 논문의 주저자인 영국 레스터 대학 니콜 라인들(Nicole Reindl)의 설명은 다음과 같다.
"SAO 244567은 별의 진화 양상을 실시간으로 볼 수 있는 대단히 희귀한 별입니다.
고작 20년 상관이 이 별의 온도는 2배로 늘어났는데 이로 인해 예전에 이미 뿜어져 나온 별 표피 부분이 이온화되면서

노랑가오리성운(Stingray Nebula)이라는 이름의 성운을 볼 수 있게 되었습니다."
 

2,700 광년 거리에 위치하고 있는 SAO 244567은 노랑가오리성운의 중심에 자리잡고 있는 별이며 지난 45년간 그 진화양상이 관측되어온 별이다.

 

1971년에서 2002년 사이 이 별의 표면 온도는 섭시 4만도까지 치솟아 올랐다.

그리고 지금 허블우주망원경에 장착된 우주기원분광관측기(the Cosmic Origins Spectrograph, 이하 COS)로 수행된 새로운 관측에 따르면 SAO 244567은 이미 식어가면서 팽창하고 있는 와중이라고 한다.

 

비록 이러한 사례가 없었던 것은 아니지만[1] 이는 대단히 독특한 사례로서, 이처럼 빠르게 열이 오르기 위해서는 SAO 244567의 초기 질량이 태양 질량의 3배에서 4배 정도는 되어야 설명이 가능하다.

그러나 SAO 244567의 데이터는 그 초기 질량이 태양과 유사한 수준임을 말해주고 있다.

이처럼 적은 질량의 별은 대개 훨씬 더 긴 시간 단위로 진화한다.
따라서 고작 수십년 상관에 이처럼 빠르게 데워지는 현상은 수수께기이기도 하다.

 

2014년에 라이들과 그녀의 연구팀은 SAO 244567에서 발생하고 있는 빠른 온도 상승과 이 별의 적은 질량에 대한 이슈를 설명하기 위한 가설을 제안한 바 있다.

이들은 급격한 온도의 상승이 헬륨껍질섬광으로 알려진 사건 때문이라고 가정하였다.
이 사건은 별의 핵 외부에서 헬륨이 짧은 순간 연소되면서 발생하는 사건이다.[2]

이러한 가설은 향후 SAO 244567의 모습에 명쾌하게 적용된다.

만약 이와 같은 섬광 사건을 추가로 겪게 된다면 이 사건은 중심별의 팽창 및 온도의 하강을 다시 촉발시킬 것이고, 진화 단계 상에서 이전 단계로 다시 복원되게 만들 것이다.

바로 이와 같은 예측치가 이번 관측에서 정확하게 확정된 것이다.

 

라인들의 설명은 다음과 같다.
"섬광에 의한 핵에너지의 방출이 이미 소규모 고밀도 상태의 별에 힘을 가하여 몸집이 큰 별의 상태로 되돌려 놓았습니다.
바로 이것이 재탄생의 시나리오에 해당하는 현상입니다."

 

결국 SAO 244567은 이처럼 재탄생의 과정을 겪는 별의 예가 될 뿐 아니라 이러한 변형의 과정에서 온도의 증가와 저하단계가 모두 관측된 최초의 별이 되었다.

 

SAO 244567의 행동양상을 완전하게 설명할 수 있는 별의 진화 이론은 현재로서는 존재하지 않는다.

라인들의 설명은 다음과 같다.
"우리는 SAO 244567의 행동 양상에 있어 여전히 수수께끼로 남아 있는 세부 내용을 설명하기 위해 보다 정교한 계산들을 수행할 필요가 있습니다.
이러한 과정들은 이 별 자체에 대한 이해뿐 아니라, 행성상성운의 중심에 자리잡고 있는 별의 진화에 대해 보다 깊은 통찰을 제공해주게 될 것입니다."
  

천문학자들이 별의 일생에 대한 보다 정교화된 모델을 수립하기 전까지는 SAO 244567의 진화과정에서 나타나는 몇몇 특성들은 여전히 수수께끼로 남아있게 될 것이다.

 

 

Credit:ESA/Hubble, L. Calcada

동영상 > 이 동영상은 SAO 244567의 빠른 진화양상을 보여주고 있다.

우선 동영상은 기원전 10,300년에서 시작한다. 
이 때 이 별의 반경은 태양 크기의 152배였으며 그 표면 온도는 섭씨 3,500도이고 색깔은 주황색이었다.

이 시점에 이 별은 이미 초기 질량의 반을 잃은 상태였다.

이후 1만년 동안 별의 크기는 태양 크기의 40배까지 줄어든다.
동시에 기온은 6,800도까지 오르고 별의 색깔은 황백색으로 바뀌게 된다.

별의 온도가 2만도까지 치솟아 오를때 헬륨의 핵융합이 촉발되면서 후기 열펄스가 만들어진다.

이 섬광으로부터 별은 빠르게 뜨거워져서 청백색의 별이 되며 온도는 21,000도까지 치솟고, 그 크기는 태양 크기의 4배로 줄어들게 된다.

SAO 244567의 크기는 태양 크기의 1/3이 될때까지 지속적으로 줄어들고 온도는 6만도가 된다.

바로 이 상태가 2002년의 상태이다.

이번 관측에 따르면 이 별은 여전히 청색 별의 상태를 유지하고 있으며 온도는 약 5만도이고, 팽창이 다시 시작된 상태로서 그 크기는 태양 크기의 2/3 수준이다.

향후 수백년동안 SAO 244567 는 다시 팽창하여 거대한 몸집을 가지게 될 것이고 그 색깔은 동영상의 마지막에 연출된대로 주황색으로 바뀌게 된다.

 

 

각주

 

[1] 동일한 유형의 헬륨섬광사건을 겪고 있는 것으로 생각되는 또다른 별은 화살자리에 있는 화살자리 FG별이다. 
따라서 SAO 244567은 이러한 사건을 겪고 있는 두 번째 별이다. 
그러나 궁수자리에 자리잡고 있는 사쿠라이의 천체를 포함하여 이처럼 "재탄생"과 유사한 과정을 겪고 있는 것으로 알려진 또다른 별들도 존재한다.  (참고 : 사쿠라이의 천체 ) 

 

[2] 후기 열펄스(late thermal pulses)라고도 알려져 있는 헬륨섬광사건은 중간 이하의 질량을 가진 별의 25% 가 진화과정의 후반기에 겪게 되는 사건이다.

이 별들은 주계열상의 진화단계를 마친뒤, 적색거성 단계로 진입하게 되며, 이 단계에서 드라마틱한 팽창을 겪게 된다. 
이 단계에서 핵에 남아 있는 헬륨의 대부분이 소진될 때까지 별의 화학적, 물리적 구성성분에는 다양한 변화가 발생하게 되며 결국 탄소와 산소가 주요 구성성분으로 남게 된다. 
헬륨의 연소는 핵 주위의 둘러싸고 있는 얇은 껍질에서 지속되지만 결국 헬륨은 고갈되고 만다. 
그리고 곧 헬륨 층 위에 있는 수소의 연소가 시작된다. 
이로부터 헬륨이 다시 만들어지면 헬륨의 연소가 다시 시작된다.
바로 이 와중에 별의 팽창 및 일시적으로 별의 온도가 떨어지고 별의 밝기가 밝아지는 현상을 촉발시키는 열펄스가 촉발되는 것이다.

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2016년 9월 13일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1614/        

 

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

참고 : SAO 244567을 비롯한 다양한 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

heic1618 — Science Release

Astronomers observe star reborn in a flash

13 September 2016

An international team of astronomers using Hubble have been able to study stellar evolution in real time. Over a period of 30 years dramatic increases in the temperature of the star SAO 244567 have been observed. Now the star is cooling again, having been reborn into an earlier phase of stellar evolution. This makes it the first reborn star to have been observed during both the heating and cooling stages of rebirth.

Even though the Universe is constantly changing, most processes are too slow to be observed within a human lifespan. But now an international team of astronomers have observed an exception to this rule. “SAO 244567 is one of the rare examples of a star that allows us to witness stellar evolution in real time”, explains Nicole Reindl from the University of Leicester, UK, lead author of the study. “Over only twenty years the star has doubled its temperature and it was possible to watch the star ionising its previously ejected envelope, which is now known as the Stingray Nebula.”

SAO 244567, 2700 light-years from Earth, is the central star of the Stingray Nebula and has been visibly evolving between observations made over the last 45 years. Between 1971 and 2002 the surface temperature of the star skyrocketed by almost 40 000 degrees Celsius. Now new observations made with the Cosmic Origins Spectrograph (COS) on the NASA/ESA Hubble Space Telescope have revealed that SAO 244567 has started to cool and expand.

This is unusual, though not unheard-of [1], and the rapid heating could easily be explained if one assumed that SAO 244567 had an initial mass of 3 to 4 times the mass of the Sun. However, the data show that SAO 244567 must have had an original mass similar to that of our Sun. Such low-mass stars usually evolve on much longer timescales, so the rapid heating has been a mystery for decades.

Back in 2014 Reindl and her team proposed a theory that resolved the issue of both SAO 244567’s rapid increase in temperature as well as the low mass of the star. They suggested that the heating was due to what is known as a helium-shell flash event: a brief ignition of helium outside the stellar core [2].

This theory has very clear implications for SAO 244567’s future: if it has indeed experienced such a flash, then this would force the central star to begin to expand and cool again — it would return back to the previous phase of its evolution. This is exactly what the new observations confirmed. As Reindl explains: “The release of nuclear energy by the flash forces the already very compact star to expand back to giant dimensions — the born-again scenario.”

It is not the only example of such a star, but it is the first time ever that a star has been observed during both the heating and cooling stages of such a transformation.

Yet no current stellar evolutionary models can fully explain SAO 244567’s behaviour. As Reindl elaborates: “We need refined calculations to explain some still mysterious details in the behaviour of SAO 244567. These could not only help us to better understand the star itself but could also provide a deeper insight in the evolution of central stars of planetary nebulae.”

Until astronomers develop more refined models for the life cycles of stars, aspects of SAO 244567’s evolution will remain a mystery.

Notes

[1] The other star thought to have experienced the same type of helium flash event (see [2]) is FG Sagittae, located in the constellation Sagitta, making SAO 244567 the second of its kind. However, other objects undergoing similar “born-again” scenarios are known, including Sakurai’s Object, located in Sagittarius.

[2] Helium flash events, also known as late thermal pulses, occur late in the evolution of about 25% of low- to medium-mass stars. After evolving off the main sequence, these stars enter the red giant phase, where the star expands dramatically. Various changes occur in the star’s chemical and physical composition during this phase, until it has burnt most of the helium available in its core, which is by then composed of carbon and oxygen. Helium fusion continues in a thin shell around the core, but then turns off as the helium becomes depleted. This allows hydrogen fusion to start in a layer above the helium layer. After enough additional helium accumulates, helium fusion is reignited, leading to a thermal pulse which eventually causes the star to expand, cool and brighten temporarily.

More information

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

The results will be presented in the paper “Breaking news from the HST: The central star of the Stingray Nebula is now returning towards the AGB”, published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

The international team of astronomers in this study consists of Nicole Reindl (University of Leicester, UK; Eberhard Karls University, Germany), T. Rauch (Eberhard Karls University, Germany), M. M. Miller Bertolami (UNLP-CONICET, Argentina), H. Todt (University of Potsdam, Germany), K. Werner (Eberhard Karls University, Germany)

Image credit: NASA, ESA/Hubble

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Garching bei München, Germany
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