행성계를 조각하다.

 

Credit:ESO

 

사진 1> 이 세 개의 행성원반은 ESO 초대형망원경(이하 VLT)에 장착된 SPHERE 장비에 의해 관측된 것이다.

이번 관측은 갓태어난 행성계의 수수께끼와도 같은 진화양상에 대한 연구를 목적으로 수행되었다.

각 사진의 중앙이 검게 나타나는 이유는 SPHERE가 중심 별의 밝은 빛을 차단하기 때문인데 이를 통해 별 주위를 둘러싸고 있는 훨씬 희미한 구조까지도 볼 수 있게 된다.

 

새로 수행된 고해상도 관측을 통해 어린 별 주위에서 행성의 형성이 진행중인 원반의 놀라운 모습이 드러났다.
ESO VLT에 장착된 SPHERE 장비를 이용하여 가능했던 이번 관측을 통해 태어난지 얼마 되지 않은 어린 행성계에 대해 실시간으로 발전이 진행되는 양상을 포함하여 그 복잡한 역학관계도 바라볼 수 있었다.
최근 발표된 3개 천문연구팀의 연구 결과를 보면 행성을 만들어낸 원반과 그 행성이 다듬어낸 길목을 포착해낸 SPHERE의 인상적인 관측 능력을 볼 수 있다.
이를 통해 새로운 행성들이 형성되고 있는 환경의 복잡성이 그 모습을 드러냈다.

 

천문학자들로 구성된 3개 연구팀이 ESO 파라날 천문대의 VLT에 장착된 외계행성탐사 장비인 SPHERE를 이용하여 갓태어난 행성계의 수수께끼와도 같은 진화양상에 대한 연구를 진행했다.
최근 들어 알려진 외계행성 수의 폭발적인 증거는 현대 천문학에 있어 가장 역동적인 분야 중 하나인 이와같은 연구를 통해 이루어지고 있다.

 

오늘날 행성은 원시행성원반이라 불리는, 갓태어난 어린 별의 주위를 둘러싼 방대한 가스와 먼지 원반에서 만들어지는 것으로 알려져 있다.
이 원시행성원반은 수십억킬로미터까지 펼쳐져 있을 수 있다.

 

오랜 세월동안 이 원시행성원반 상의 입자들이 충돌하고 합쳐지면서 결국 행성 크기의 천체가 만들어지게 되는 것이다.

그러나 이처럼 원시행성원반에서 행성의 형성이 진행되는 양상에 대한 세부 내용은 여전히 수수께끼로 남아 있다.

 

SPHERE는 최근 VLT에 장착된, 첨단 기술이 조합된 장비이다.
이 장비는 원시행성원반을 매우 세밀하게 직접적으로 촬영할 수 있는 강력한 기능을 제공해주고 있다.[1]

원시행성원반 및 이곳에서 몸집을 키워나가고 있는 행성 간의 상호 연관관계는
광활하게 펼쳐진 고리와 나선형 팔 또는 그늘진 텅빈 부분 등, 원반의 모습을 다양하게 형성하는 원인이 된다.

이러한 요소들은 원시행성원반들의 구조와 이곳에서 다듬어지고 있는 행성간의 명료한 연관관계를 보여주는 특별히 흥미로운 단서가 되는데
이는 천문학자들이 문제를 풀어낼 수 있는 핵심단서로서 여전히 연구가 진행중인 과제이다.

 

다행히도 SPHERE의 독보적인 관측 성능은 원시행성원반들의 이러한 인상적인 특징들을 직접적으로 관측할 수 있게 해주고 있다.

 

예를 들어 RX J1615라는 어린 별은 전갈자리 방향으로 600 광년 거리에 위치하고 있다.

 

네덜란드 라이든 천문대의 요스 드 보어(Jos de Boer)가 이끄는 연구팀은 마치 토성을 둘러싸고 있는 고리들을 대규모로 확장한 듯한
이 어린별을 둘러싸고 있는 복잡한 구조의 동심원 고리들을 발견했다.

 

 

Credit:ESO, J. de Boer et al.

 

사진2> VLT에 장착된 SPHERE를 이용하여 촬영된 RX J1615 별 주위의 원시행성원반의 모습.

RX J1615 별은 전갈자리 방향으로 지구로부터 600 광년 거리에 위치하고 있다.

이번 관측을 통해 어린 별 주위를 둘러싸고 있는 동심원 고리들의 복잡한 구조를 볼 수 있었다.

원시행성원반에서 이처럼 복잡하게 다듬어진 고리들에 대한 관측자료는 예전까지는 거의 존재하지 않았다.

사진 중앙이 검게 나타나는 이유는 SPHERE가 중심 별의 밝은 빛을 차단하기 때문인데 이를 통해 별 주위를 둘러싸고 있는 훨씬 희미한 구조까지도 볼 수 있게 된다.

 

원시행성원반에서 나타나는 복잡한 양상을 보이는 이러한 고리들에 대한 자료는 예전까지는 거의 존재하지 않았다.
그런데 이보다 더 흥미로운 것은 이 별과 원시행성원반계 전체의 나이가 고작 180만년밖에 되지 않았다는 것이다.

이는 이 원시행성원반이 여전히 행성들에 의해 그 형성이 진행중인 과정에 있다고 유추해 볼 수 있는 단서인 것이다.

 

지금까지 발견된 대부분의 원시행성원반은 상대적으로 나이가 많거나 이미 충분히 진화한 상태이기 때문에 RX J1615는 특별한 원시행성계가 되고 있다.

드 보어의 예상치 못한 결과는 즉각 크리스챤 깅스키(Christian Ginski)가 이끄는 연구팀의 발견에도 영향을 끼쳤다.

 

이들은 카멜레온자리 방향으로 지구로부터 500 광년 거리에 있는 HD 97048 이라는 어린 별을 관측하고 있었다.

연구팀은 고된 분석을 통해 이 별의 주위에서 역시 동심원을 그리고 있는 어린 원시행성원반을 발견했다.

 

 

Credit:ESO, C. Ginski et al.

 

사진 3> VLT에 장착된 SPHERE를 이용하여 촬영된 HD 97048 별 주위의 원시행성원반의 모습.
HD 97048 별은 카멜레온자리 방향으로 지구로부터 500 광년 거리에 위치하고 있다.

만들어진지 얼마되지 않은 이 원반은 동심원 고리들을 형성하고 있다.

비대칭 나선팔을 가지고 있는 대부분의 원시행성원반들과는 반대로 이 원시행성원반은 대칭적인 동공부와 소용돌이를 갖추고 있다.

이 사진은 각각 독립된 서로 다른 관측을 통해 획득한 원반의 안쪽 지역 및 바깥쪽 지역에 대한 관측 데이터를 조합하여 만들어진 것이다.

사진 중앙이 검게 나타나는 이유는 SPHERE가 중심 별의 밝은 빛을 차단하기 때문인데 이를 통해 별 주위를 둘러싸고 있는 훨씬 희미한 구조까지도 볼 수 있게 된다.

 

대부분의 원시행성원반은 나선팔과 텅빈 부분, 소용돌이 구조 등 다양한 비대칭 양상을 보여주고 있음에 반해
이 두 개 시스템에서 나타나고 있는 대칭 역시 놀라운 결과였다.

 

이러한 발견들은 대칭성이 높은 다중 고리를 가진 행성계의 숫자를 획기적으로 늘려주었다.

보다 일반적으로 나타나는 비대칭 행성원반에 대한 특별히 인상적인 예는 네덜란드 안톤 파네코크 천문연구소의 토마스 소톨커(Tomas Stolker)가 이끄는 연구팀에 의해 촬영되었다.

 

이 행성원반은 450광년 거리에 있는 별 HD 135344B 주위를 감싸고 있다.

비록 이 별은 과거에 여러 차례 연구가 된 별이지만 연구팀은 SPHERE를 통해 그 어느때보다더 훨씬더 세밀하게 이 원시행성원반을 볼 수 있었다.

 

 

Credit:ESO, T. Stolker et al.

 

사진 4> VLT에 장착된 SPHERE를 이용하여 촬영된 HD 135344B 별 주위의 행성원반의 모습.
HD 135344B 별은 450 광년 거리에 위치하고 있다.

행성원반에 나선팔과 같은 구조가 두드러지게 보인다.

이러한 구조는 대개 목성과 같은 특징을 보이는 하나 또는 그 이상의 무거운 원시행성에 의해 만들어지는 것으로 생각되고 있다.

사진 중앙이 검게 나타나는 이유는 SPHERE가 중심 별의 밝은 빛을 차단하기 때문인데 이를 통해 별 주위를 둘러싸고 있는 훨씬 희미한 구조까지도 볼 수 있게 된다.

 

중심의 거대한 동공부와 나선팔과 같은 모습을 보이는 두 개의 두드러진 구조들은 목성과 같은 행성일 가능성이 있는 하나 또는 그 이상의 무거운 원시행성에 의해 만들어진 것으로 생각된다.

 

게다가 이번에 관측된 네 개의 어두운 삐침선들은 HD 135344B 원반 내에 존재하는 물체의 이동에 의해 발생된 그림자임이 밝혀졌다.

인상적이게도 이 삐침선 중 하나는 관측이 진행되던 몇 달 사이에 현저한 변화 양상을 나타냈다.
이는 행성의 진화가 실시간으로 관측되고 있음을 말해주는 극히 드문 예로서
SPHERE를 이용해도 직접적인 관측이 불가능한 안쪽 원반에 어떤 변화가 발생하고 있는지를 알려주는 단서가 되고 있다.

아름다운 영상을 만들어주기까지 하는 이들 깜빡거리는 그림자들은 원반의 가장 안쪽 지역에서 발생하는 움직임을 탐사할 수 있는 유일한 단서를 제공해주고 있다.

 

드 부어와 긴스키가 발견한 동심원의 고리들과 마찬가지로 스톨커 연구팀이 발견한 원반의 복잡성과 변화가 발생하고 있는 환경은 여전히 놀라운 새로운 발견거리들이 나올 수 있음을 말해주고 있다.

연구팀은 원시행성원반에 대한 지식의 폭을 늘려감으로써 원시행성원반에서 어떻게 행성이 만들어지는지에 관한 수수께끼를 밝혀내는데 점점 거리를 좁혀가고 있으며 행성의 형성 그 자체에 대한 진실에도 점점 다가서고 있다.

 

각주
[1] SPHERE가 처음으로 사용된 것은 2014년 6월이다.

이 장비는 대기의 어른거림을 제거할 수 있는 차세대 적응광학 기술과 중심에 자리잡고 있는 별빛의 대부분을 차폐할 수 있는 코로나그래프 및 차등영상의 조합, 그리고 원반에서 유래하는 빛을 차별적으로 분리해낼 수 있는 편광기술을 보유하고 있다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Photo Release  2016년 11월 9일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1640/

      
참고 : 외계행성 및 외계행성계에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346973
        

원문>

eso1640 — Photo Release

Sculpting Solar Systems

ESO’s SPHERE instrument reveals protoplanetary discs being shaped by newborn planets

9 November 2016

Sharp new observations have revealed striking features in planet-forming discs around young stars. The SPHERE instrument, mounted on ESO’s Very Large Telescope, has made it possible to observe the complex dynamics of young solar systems — including one seen developing in real-time. The recently published results from three teams of astronomers showcase SPHERE’s impressive capability to capture the way planets sculpt the discs that form them — exposing the complexities of the environment in which new worlds are formed.

Three teams of astronomers have made use of SPHERE, an advanced exoplanet-hunting instrument on the Very Large Telescope (VLT) at ESO’s Paranal Observatory, in order to shed light on the enigmatic evolution of fledgling planetary systems. The explosion in the number of known exoplanets in recent years has made the study of them one of the most dynamic fields in modern astronomy.

Today it is known that planets form from vast discs of gas and dust encircling newborn stars, known as protoplanetary discs. These can extend for thousands of millions of kilometres. Over time, the particles in these protoplanetary discs collide, combine and eventually build up into planet-sized bodies. However, the finer details of the evolution of these planet-forming discs remain mysterious.

SPHERE is a recent addition to the VLT’s array of instruments and with its combination of novel technologies, it provides a powerful method to directly image the fine details of protoplanetary discs [1]. The interaction between protoplanetary discs and growing planets can shape the discs into various forms: vast rings, spiral arms or shadowed voids. These are of special interest as an unambiguous link between these structures and the sculpting planets is yet to be found; a mystery astronomers are keen to solve. Fortunately, SPHERE’s specialised capabilities make it possible for research teams to observe these striking features of protoplanetary discs directly.

For example, RX J1615 is a young star, which lies in the constellation of Scorpius, 600 light-years from Earth. A team led by the Jos de Boer, of Leiden Observatory in the Netherlands, found a complex system of concentric rings surrounding the young star, forming a shape resembling a titanic version of the rings that encircle Saturn. Such an intricate sculpting of rings in a protoplanetary disc has only been imaged a handful of times before, and even more excitingly, the entire system seems to be only 1.8 million years old. The disc shows hints of being shaped by planets still in the process of formation.

The age of the newly detected protoplanetary disc makes RX J1615 an outstanding system, as most other examples of protoplanetary discs detected so far are relatively old or evolved. De Boer’s unexpected result was quickly echoed by the findings of a team led by Christian Ginski, also of Leiden Observatory. They observed the young star HD 97048, located in the constellation of Chamaeleon, about 500 light-years from Earth. Through painstaking analysis, they found that the juvenile disc around this star has also formed into concentric rings. The symmetry of these two systems is a surprising result, as most protoplanetary systems contain a multitude of asymmetrical spiral arms, voids and vortexes. These discoveries significantly raise the number of known systems with multiple highly symmetrical rings.

A particularly spectacular example of the more common asymmetric disc was captured by a group of astronomers led by Tomas Stolker of the Anton Pannekoek Institute for Astronomy, the Netherlands. This disc surrounds the star HD 135344B, about 450 light-years away. Although this star has been well-studied in the past, SPHERE allowed the team to see the star’s protoplanetary disc in more detail than ever before. The large central cavity and two prominent spiral arm-like structures are thought to have been created by one or multiple massive protoplanets, destined to become Jupiter-like worlds.

In addition, four dark streaks, apparently shadows thrown by the movement of material within HD 135344B's disc, were observed. Remarkably, one of the streaks noticeably changed in the months between observing periods: a rare example of observing planetary evolution occur in real time, hinting at changes occurring in the inner disc regions that can not be directly detected by SPHERE. As well as producing beautiful images, these flickering shadows provide a unique way of probing the  dynamics of innermost disc regions.

As with the concentric rings found by de Boer and Ginski, these observations by Stolker’s team prove that the complex and changing environment of the discs surrounding young stars are still capable of producing surprising new discoveries. By building an impressive body of knowledge about these protoplanetary discs, these teams are stepping closer to understanding how planets shape the discs that form them — and therefore understanding planet formation itself.

Notes

[1] SPHERE had first light in June 2014. The instrument uses advanced adaptive optics to remove atmospheric distortion, a coronagraph to block most of the light from the central star and a combination of differential imaging and polarimetry to isolate the light from features in the disc.

More information

The research of de Boer, Ginski and Stolker and their colleagues in the SPHERE consortium is now accepted for publication in the journal Astronomy and Astrophysics. Their papers are entitled: "Direct detection of scattered light gaps in the transitional disk around HD 97048 with VLT/SPHERE"; "Shadows cast on the transition disk of HD 135344B: Multi-wavelength VLT/SPHERE polarimetric differential imaging", and "Multiple rings in the transition disk and companion candidates around RX J1615.3-3255: High contrast imaging with VLT/SPHERE". All three of papers have been created in the framework of the SPHERE GTO program, led by Carsten Dominik, University of Amsterdam.

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 by Jos de Boer et al.
• Research paper by Christian Ginski et al.
• Research paper by Tomas Stolker et al.

Contacts

Tomas Stolker
Anton Pannekoek Institute for Astronomy
Amsterdam, the Netherlands
Tel: +3120525 8152
Email: T.Stolker@uva.nl

Jos de Boer
Leiden University
Leiden, the Netherlands
Tel: +31715278139
Email: deboer@strw.leidenuniv.nl

Christian Ginski
Leiden University
Leiden, the Netherlands
Tel: +31715278139
Email: ginski@strw.leidenuniv.nl

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

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