2018. 8. 21. 23:41ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
사진 1> ALMA를 이용하여 어린별 HD 163296 주위에 세 개의 어린 행성이 있다는 명백한 증거가 발견되었다.
천문학자들은 첨단 행성 탐사 기술을 이용하여 이 별 주위를 휘감고 있는 가스원반 내에서 가스의 흐름을 방해하고 있는 3개의 물체가 있음을 알아냈다.
이번 연구는 ALMA를 이용하여 처음으로 외계행성을 발견한 사례에 해당한다.
이 사진은 특정 파장에서 획득한 ALMA 데이터 셋의 일부를 보여주고 있다.
물질들 가운데 꼬인 흔적이 선명하게 보인다.
이는 행성의 존재를 말해주는 명백한 증거가 된다.
ALMA를 이용하여 독립적으로 연구를 진행한 두 연구팀에 의해 태어난지 얼마 안된 별인 HD 163296 주위에 3개의 어린 행성이 공전중임을 말해주는 강력한 증거가 발견되었다.
천문학자들은 첨단 행성 탐사 기술을 이용하여 이 별 주위를 휘감고 있는 가스원반 내에서 가스의 흐름을 방해하고 있는 3개의 물체가 있음을 알아냈다.
이는 새로운 행성이 만들어지고 있음을 말해주는 강력한 증거가 된다.
이번 연구는 ALMA를 이용하여 처음으로 외계행성을 발견한 사례에 해당한다.
ALMA가 원시행성원반에 대한 우리의 지식에 변화를 만들어냈다.
원시행성원반이란 젊은 별 주위를 돌고 있는, 가스와 먼지가 가득한 원반으로서 행성을 만들어내는 공장이기도 하다.
이 원반을 구성하는 고리와 간극들은 원시행성의 존재에 대한 흥미로운 상황 증거를 제공한다.[1]
원시행성의 존재를 알 수 있는 단서로서 또다른 현상도 있다.
천문학자들로 이루어진 두 개 연구팀이 어린 별 주위를 돌고 있는 원시행성원반 내의 독특한 가스 흐름을 식별해 내는 첨단 행성탐사 기술을 이용하여 어린 별 주위에서 새로 만들어지고 있는 행성으로 인해 발생한 구멍을 각각 독립적으로 식별해낸 것이다.[2]
이번에 발표된 두 개 논문 중 하나의 주저자이자 프랑스 그래노블 행성학 및 천체물릭학 연구소와 호주 모나시 대학 소속인 크리스토프 핀트(Christophe Pinte)의 설명은 다음과 같다.
"원시행성원반에서 가스의 흐름을 측정하면 행성이 존재하는지 여부를 보다 확실하게 알 수 있습니다.
이 기술은 행성계가 어떻게 형성되는지에 대한 새로운 이해방법을 우리에게 알려주고 있습니다."
각 연구팀은 ALMA를 이용한 HD 163296의 관측 데이터를 독자적으로 분석했다.
이 별은 궁수자리방향으로 330 광년 거리에 위치하고 있다.[3]
이 별의 질량은 태양질량의 2배이지만 나이는 훨씬 어려서 태양 나이의 1,000분의 1에 지나지 않는 4백만 년 밖에 되지 않는 별이다.
이번 논문의 주 저자이자 미시건대학의 천문학자인 리차드 태그(Richard Teague)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이 별의 원시행성원반에서 지역적 특성을 나타내는 부분과 작은 크기로 나타나는 가스의 운동 양상을 살펴보았습니다.
이처럼 완전히 새로운 접근법을 이용한다면 우리 은하에서 가장 어린 행성들을 발견할 수 있을 겁니다.
물론 이 모든 것은 ALMA의 고해상도 촬영기법 때문에 가능했던 것입니다."
이미 예전부터 ALMA는 원시행성원반에 대한 선명한 화상을 제공했지만 천문학자들은 이 원반 내의 먼지에 초점을 맞추는 것보다 원반 전반에 걸쳐 일산화탄소의 분포를 연구했다.
일산화탄소 분자는 밀리미터파장에서 매우 선명한 복사선을 방출한다.
ALMA는 이 파장을 매우 세밀하게 잡아낼 수 있다.
이 빛에 도플러 효과로 인한 미묘한 변화가 발생하면 먼지 내에서 이루어지는 가스의 운동양상을 알 수 있게 된다.
태그가 이끄는 연구팀은 이번 연구 대상이 된 먼지원반에서 두 개의 행성이 각각 자신의 별로부터 120억 킬로미터 및 210억 킬로미터 거리에 위치한다는 것을 밝혀냈다.
핀트가 이끄는 또다른 연구팀은 390억 킬로미터 지점에 또 하나의 행성이 있음을 밝혀냈다.[4]
이 두 개 연구팀은 동일한 기술에 변형을 주어 원반상의 가스 흐름 속에서 일산화탄소복사선 파장의 편이에 의해 나타나는 증거로서의 변이를 찾아보았다.
이러한 변이는 가스가 중력체와 상호작용을 하고 있음을 나타내는 지표가 된다.[5]
고작 몇 퍼센트밖에 되지 않는 가스의 흐름 속에서의 평균 변이로부터 파생된, 태그에 의해 활용된 기술은 별로부터 상대적으로 가까운 거리에 있는 가스의 움직임에서 다수의 행성들로 인해 만들어지는 영향을 밝혀냈다.
좀더 직접적으로 가스의 흐름을 측정한, 핀트에 의해 활용된 기술은 원반 외곽을 연구하는데 보다 효과적이었다.
이는 논문의 저자들이 세번째 행성의 위치를 보다 정확하게 파악할 수 있게 해 주었다.
그러나 가스의 흐름에서 편차가 더 벌어지는 제약사항도 있는데 여기서 나타나는 편차는 10% 이상이다.
과학자들은 이러한 두 가지 기술을 활용한 각각의 연구에서 가스의 흐름이 주변 상황과는 다른 지역을 식별해낼 수 있었는데 이는 강물 속 바위 주위에 형성되는 소용돌이와 유사한 측면이 있다.
연구팀은 이러한 움직임을 주의깊게 분석함으로써 목성과 비슷한 규모의 행성체에 의해 모종의 영향이 발생하고 있음을 확실하게 알 수 있었다.
이번에 사용된 새로운 기술로 천문학자들로 하여금 보다 정확하게 원시행성의 질량을 측정할 수 있게 되었고 행성탐사의 오류 가능성도 훨씬 줄일 수 있게 되었다.
이번 논문의 공동저자인 미시건대학 테드 버긴(Ted Bergin)은 자신들이 ALMA를 행성형성이라는 새로운 연구영역의 한가운데로 가져가고 있다고 소감을 밝혔다.
두 연구팀은 자신들이 사용한 기법을 좀더 정교하게 다듬어 나갈 것이고 그 기술을 또다른 원반에도 적용하게 될 것이다.
이를 통해 행성의 대기가 어떻게 형성되는지, 그리고 갓 탄생한 행성에 어떤 원소와 분자들이 유입하게 되는지를 보다 더 잘 이해할 수 있게 되기를 희망하고 있다.
사진 2> 우리 태양계는 가스와 먼지로 이루어진 거대한 원시구름 속에서 형성되었다.
이 먼지구름중 거의 대부분이 태양을 만드는데 사용되었으며 태양주위에 원반을 형성했던 잔여물들에서 오늘날 우리가 살고 있는 행성을 포함한 행성들이 만들어졌다.
천문학자들은 이와 유사한 현상이 벌어지고 있는 다른 별들을 관측할 수 있다.
이 멋진 사진은 HD 163296이라는 어린별 주위의 잔여 물질들로 만들어진 회전원반을 보여주고 있다.
천문학자들은 ALMA의 강력한 관측능력을 이용하여 이 원반 속에서 특정 구조를 구분해낼 수 있었다.
여기에는 동심원을 그리고 있는 고리들도 포함되어 있다.
천문학자들은 또한 ALMA를 이용하여 원반을 구성하고 있는 가스와 먼지에 대한 고해상도 측정치를 얻을 수 있었다.
이 데이터를 이용하여 어린 행성계의 형성과정에 대한 핵심적이고 상세한 내용을 유추할 수 있었다.
고리들 사이에 나타나는 세 개의 간극은 먼지의 고갈 때문인 것으로 추정된다.
천문학자들은 또한 한가운데와 외곽에 나타나는 간극에는 가스가 상대적으로 저밀도로 분포한다는 것도 알아냈다.
이와 같은 먼지와 가스의 고갈 양상은 새로운 행성이 만들어지고 있음을 말해주는 증거가 된다.
각각의 행성의 질량은 토성 정도로 추정되며 이들은 원반 상에 간극을 만들어내며 자신의 공전궤도를 만들어나가고 있다.
사진 3> 이 표는 궁수자리와 HD 163296의 위치를 보여주고 있다.
이 별의 질량은 대략 태양 질량의 두 배 정도인데, 그 나이는 고작 4백만년 밖에 되지 않는다.
이 별은 대단히 희미해서 맨눈으로는 볼 수 없다.
하지만 쌍안경으로는 쉽게 찾아볼 수 있는데 이 별의 위치는 그 유명한 삼엽성운 및 라군성운에서 그리 멀지 않다.
사진 4> 이 광각사진은 HD 163296과 그 주변을 보여주고 있다.
이 사진은 DSS2의 일환으로 만들어진 것이다.
HD 163296이 사진 한 가운데에서 푸른 빛으로 빛나고 있다.
[1] 지난 20여년 동안 수 천개의 외계행성이 발견되었지만 발생단계에 있는 원시행성을 탐사해내는 것은 여전히 첨단 과학의 영역으로 남아 있다.
지금까지 발생단계의 행성을 명확히 탐지해낼 수 있는 수단은 존재하지 않았다.
현재 외계행성을 탐사해내는 기술은 완전히 행성계가 형성된 경우를 대상으로 한다.
별의 흔들림이라든가, 별의 전면을 지나는 행성으로 인해 별빛이 흐려지는 경우가 외계행성 탐사의 단서가 되는 것이다.
하지만 이러한 방법으로는 발생단계의 원시 행성은 탐사해낼 수가 없다.
[2] 행성이 없는 원반에서는 가스의 흐름이 매우 단순하며 예측가능한 패턴(케플러 회전)을 보여준다.
이 상황에서는 가스의 흐름에 나타나는 지속성이나 지역적 특성이 변하지 않는다.
즉, 가스의 흐름에서 지속성이 무너지거나 지역적 특성이 나타난다는 것은 가스의 흐름을 방해하는 상대적으로 무거운 물체가 있다는 것을 의미하는 것이다.
[3] HD 163296 및 또다른 유사한 행성계를 촬영한 ALMA의 정교한 사진들은 원시행성원반 상에서 동심원 구조의 고리와 간극을 가진 흥미로운 패턴들을 보여주고 있다.
이 간극들은 발생단계에 있는 원시행성들이 공전궤도 상에 있는 먼지와 가스를 마치 쟁기로 밭을 갈듯이 파헤치면서 만들어진 것일 수 있다.
즉, 간극의 흔적은 행성의 존재 증거가 될 수 있는 것이다.
또한 원시행성원반을 구성하는 성분들은 각 행성의 대기에도 침투해 들어갔을 것이다.
이 별의 원반에 대한 이전 연구는 먼지와 가스 사이에서 포개져 있는 간극을 보여주는데 이는 최소 2개 이상의 행성들이 형성되고 있음을 말해주는 단서가 된다.
하지만 이 최초 관측 자료들 그저 정황증거였을 뿐이다.
해당 자료는 각 행성들의 정확한 질량 측정치를 도출하는 데 사용될 수 없었다.
[4] 세 개 행성의 위치는 각각 지구와 태양 거리 대비 80배, 140배, 260배에 해당한다.
[5] 이 기술은 19세기 태양계에서 해왕성을 발견할 당시에 사용된 기술과 유사하다.
천왕성의 운동에서 나타나는 변이 양상은 아직 알 수 없는 천체의 중력효과에 의한 것으로 추정되어 해당 천체의 추적으로 이어졌고 그 결과 1846년 태양계의 여덟번째 행성인 해왕성이 발견되었다.
핀트의 연구팀에 의해 행성의 존재를 결정짓는데 사용된 기술은 '행성형성단서(Planet formation signposts)'라 명명된 연구에 기반을 두고 있다.
'가스 운동학을 통한 원시행성원반 주변 관측(observability of circumplanetary disks via gas kinematics)'이란 제목의 이 논문은 2015년 아스트로피지컬 저널에 개재된 바 있다.
출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release 2018년 6월 13일자
https://www.eso.org/public/news/eso1818/
참고 : 다양한 외계행성 및 원시행성원반에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346973
원문>
eso1818 — Science Release
ALMA Discovers Trio of Infant Planets around Newborn Star
Novel technique to find youngest planets in our galaxy
13 June 2018
Two independent teams of astronomers have used ALMA to uncover convincing evidence that three young planets are in orbit around the infant star HD 163296. Using a novel planet-finding technique, the astronomers identified three disturbances in the gas-filled disc around the young star: the strongest evidence yet that newly formed planets are in orbit there. These are considered the first planets to be discovered with ALMA.
The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has transformed our understanding of protoplanetary discs — the gas- and dust-filled planet factories that encircle young stars. The rings and gaps in these discs provide intriguing circumstantial evidence for the presence of protoplanets [1]. Other phenomena, however, could also account for these tantalising features.
But now, using a novel planet-hunting technique that identifies unusual patterns in the flow of gas within a planet-forming disc around a young star, two teams of astronomers have each confirmed distinct, telltale hallmarks of newly formed planets orbiting an infant star [2].
“Measuring the flow of gas within a protoplanetary disc gives us much more certainty that planets are present around a young star,” said Christophe Pinte of Monash University in Australia and Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Université de Grenoble-Alpes/CNRS) in France, and lead author on one of the two papers. “This technique offers a promising new direction to understand how planetary systems form.”
To make their respective discoveries, each team analysed ALMA observations of HD 163296, a young star about 330 light-years from Earth in the constellation of Sagittarius (The Archer) [3]. This star is about twice the mass of the Sun but is just four million years old — just a thousandth of the age of the Sun.
“We looked at the localised, small-scale motion of gas in the star’s protoplanetary disc. This entirely new approach could uncover some of the youngest planets in our galaxy, all thanks to the high-resolution images from ALMA,” said Richard Teague, an astronomer at the University of Michigan and principal author on the other paper.
Rather than focusing on the dust within the disc, which was clearly imaged in earlier ALMA observations, the astronomers instead studied carbon monoxide (CO) gas spread throughout the disc. Molecules of CO emit a very distinctive millimetre-wavelength light that ALMA can observe in great detail. Subtle changes in the wavelength of this light due to the Doppler effect reveal the motions of the gas in the disc.
The team led by Teague identified two planets located approximately 12 billion and 21 billion kilometres from the star. The other team, led by Pinte, identified a planet at about 39 billion kilometres from the star [4].
The two teams used variations on the same technique, which looks for anomalies in the flow of gas — as evidenced by the shifting wavelengths of the CO emission — that indicate the gas is interacting with a massive object [5].
The technique used by Teague, which derived averaged variations in the flow of the gas as small as a few percent, revealed the impact of multiple planets on the gas motions nearer to the star. The technique used by Pinte, which more directly measured the flow of the gas, is better suited to studying the outer portion of the disc. It allowed the authors to more accurately locate the third planet, but is restricted to larger deviations of the flow, greater than about 10%.
In both cases, the researchers identified areas where the flow of the gas did not match its surroundings — a bit like eddies around a rock in a river. By carefully analysing this motion, they could clearly see the influence of planetary bodies similar in mass to Jupiter.
This new technique allows astronomers to more precisely estimate protoplanetary masses and is less likely to produce false positives. “We are now bringing ALMA front and centre into the realm of planet detection,” said coauthor Ted Bergin of the University of Michigan.
Both teams will continue refining this method and will apply it to other discs, where they hope to better understand how atmospheres are formed and which elements and molecules are delivered to a planet at its birth.
Notes
[1] Although thousands of exoplanets have been discovered in the last two decades, detecting protoplanets remains at the cutting edge of science and there have been no unambiguous detections before now. The techniques currently used for finding exoplanets in fully formed planetary systems — such as measuring the wobble of a star or the dimming of starlight due to a transiting planet — do not lend themselves to detecting protoplanets.
[2] The motion of gas around a star in the absence of planets has a very simple, predictable pattern (Keplerian rotation) that is nearly impossible to alter both coherently and locally, so that only the presence of a relatively massive object can create such disturbances.
[3] ALMA’s stunning images of HD 163296 and other similar systems have revealed intriguing patterns of concentric rings and gaps within protoplanetary discs. These gaps may be evidence that protoplanets are ploughing the dust and gas away from their orbits, incorporating some of it into their own atmospheres. A previous study of this particular star’s disc shows that the gaps in the dust and gas overlap, suggesting that at least two planets have formed there.
These initial observations, however, merely provided circumstantial evidence and could not be used to accurately estimate the masses of the planets.
[4] These correspond to 80, 140 and 260 times the distance from the Earth to the Sun.
[5] This technique is similar to the one that led to the discovery of the planet Neptune in the nineteenth century. In that case anomalies in the motion of the planet Uranus were traced to the gravitational effect of an unknown body, which was subsequently discovered visually in 1846 and found to be the eighth planet in the Solar System.
The technique used by the Pinte team to determine the presence of the planet is based on a study entitled Planet formation signposts: observability of circumplanetary disks via gas kinematics by Perez et al., published in The Astrophysical Journal Letters in 2015.
More information
This research was presented in two papers to appear in the same edition of the Astrophysical Journal Letters. The first is entitled “Kinematic evidence for an embedded protoplanet in a circumstellar disc”, by C. Pinte et al. and the second “A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets”, by R. Teague et al.
The Pinte team is composed of: C. Pinte (Monash University, Clayton, Victoria, Australia; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France), D. J. Price (Monash University, Clayton, Victoria, Australia), F. Ménard (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France), G. Duchêne (University of California, Berkeley California, USA; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France), W.R.F. Dent (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), T. Hill (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), A. Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA) and D. Mentiplay (Monash University, Clayton, Victoria, Australia).
The Teague team is composed of: Richard D. Teague (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Jaehan Bae (Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institution for Science, Washington, DC, USA), Edwin A. Bergin (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Tilman Birnstiel (University Observatory, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany) and Daniel Foreman- Mackey (Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA).
The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA. ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 15 Member States: Austria, Belgium, 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 and with Australia as a strategic partner. 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 and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.
Links
- Research paper Pinte et al. in Astrophysical Journal Letters
- Research paper Teague et al. in Astrophysical Journal Letters
- Photos of ALMA
Contacts
Christophe Pinte
Monash University
Clayton, Victoria, Australia
Tel: +61 4 90 30 24 18
Email: christophe.pinte@univ-grenoble-alpes.fr
Richard Teague
University of Michigan
Ann Arbor, Michigan, USA
Tel: +1 734 764 3440
Email: rteague@umich.edu
Calum Turner
ESO Assistant Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Email: calum.turner@eso.org
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