새로운 외계행성 탐사법 : 원시행성원반의 간극에서 폭포처럼 쏟아져 내리는 가스

Credit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

 

그림 1> 이 그림은 원시행성원반에 형성된 간극으로 폭포처럼 쏟아져 내리는 가스를 그린 상상화이다. 

이러한 현상은 이제 막 만들어지고 있는 행성에 의해 촉발되었을 가능성이 상당하다.

 

천문학자들이 행성을 만들어내고 있는 가스원반의 움직임을 사상 처음으로 3D로 구현해냈다.

이번 작업은 ALMA의 관측데이터를 근거로 만들어졌다.

HD 163296이라는 이름의 갓 태어난 어린 별 주위를 감싸고 있는 원반의 3개 지점에서 행성 때문에 만들어진 것으로 보이는 간극으로 폭포처럼 쏟아져 들어가는 가스의 흐름이 관측되었다.

이러한 가스의 흐름은 오랫동안 이론상으로 예측되어 왔으며 행성의 대기를 구성하는 화학적 조성에 직접적인 영향을 미치는 것으로 추정되고 있다.

이번 연구는 최근 네이처 지에 개재되었다.

 

 

행성을 만들어내는 원반은 가스와 먼지로 만들어져 있다.

천문학자들은 원시행성원반이라 불리는 이 원반에서 행성이 만들어지는 과정을 이해하기 위한 연구를 계속하고 있다.

ALMA를 통해 관측된 이 아름다운 먼지원반 사진은 원반 내에 형성된 간극과 고리 구조를 선명하게 보여주고 있다.

이러한 간극과 고리 구조는 이제 막 만들어진 행성 때문일 것으로 추정되고 있다.

천문학자들은 이 간극들이 행성 때문에 만들어졌다는 사실을 확인하기 위해, 그리고 행성형성에 대해 보다 정확한 관점을 얻기 위해 원반 내의 가스와 먼지에 대한 연구를 계속하고 있다.

 

원시행성원반 전체 질량의 99퍼센트는 일산화탄소 가스로 구성되어 있다.

원시행성원반에서 일산화탄소 가스는 가장 밝은 빛을 내는 원소로서 ALMA는 일산화탄소의 복사선을 밀리미터 파장에서 아주 선명하게 포착해낼 수 있다.

 

지난 해, 두 개 연구팀이 일산화탄소를 활용하여 외계행성을 포착해내는 새로운 기술을 선보인바 있다.

그들은 HD 163296이라는 별 주위를 감싸고 있는 원시행성원반에서 일산화탄소의 속도를 측정하였다.

이 가스의 흐름 가운데 국지적으로 나타나는 장애부분에서 행성체 때문에 발생하는 것으로 추정되는 3개의 패턴이 식별된 바 있다.

 

이번에 발표된 논문의 수석저자인 미시건 대학의 리처드 태그(Richard Teague)와 그의 연구팀은 높은각분해능을 이용한 원시행성원반의 기본구조분석 프로젝트(the Disk Substructures at High Angular Resolution Project, DSHARP)를 통해 획득한 ALMA의 고해상도 관측 데이터를 이용하여 가스의 속도를 좀더 상세하게 분석했다.

 

태그의 설명은 다음과 같다.

"우리는 고품질의 데이터를 이용하여 가스의 속도를 삼차원으로 측정해볼 수 있었습니다.

이를 통해 별을 향해 추락하는 가스, 별로부터 뿜어져나오는 가스, 그리고 원시행성 원반 위, 아래로 솟구치는 가스 등, 별 주위를 공전하는 가스의 움직임을 상세하게 측정할 수 있었습니다."

 

 

독특한 가스의 흐름.

 

태그와 동료들은 서로 다른 3개 지점에서 원시행성의 중간층 상층부의 가스의 움직임을 들여다보았다.

태그의 설명은 다음과 같다.

"별 주위를 도는 행성에서 일어날 수 있는 가장 그럴듯한 일은 이 행성이 가스와 먼지를 한쪽편으로 밀어젖히면서 간극을 만들고 있는 것입니다. 

이렇게 만들어진 간극의 상층에 있는 가스는 마치 폭포처럼 간극으로 떨어지고 있었고 이로부터 가스가 순환하는 흐름이 발생하게 됩니다."

 

이러한 가스의 순한은 HD 163296 주위에서 발생하는 행성형성에 대한 가장 훌륭한 증거이다.

하지만 천문학자들은 이 가스의 흐름이 100% 행성 때문이라고 말할 수는 없다고 한다.

예를 들자면 별 자체의 자기장도 이처럼 가스의 흐름을 방해하는 요소로 작용할 수도 있다는 것이다.

 

이번 논문의 공동저자이자 이번 연구에서 원시행성원반에 대한 컴퓨터 시뮬레이션으로 이론을 검증한 카네기 연구소 배재한 연구원의 설명은 다음과 같다.

"현재로서는 이 행성들을 직접 관측하는 것만이 다른 가능성을 배제할 수 있는 유일한 방법입니다.

하지만 이 가스들이 흐르는 패턴은 대단히 독특하죠.

따라서 이것이 행성에 의해 야기된 패턴이라고 말할 수 있는 것입니다."

 

이 가설상의 행성의 위치는 자신의 별로부터 각각 87AU, 140AU, 237로서 작년 발표된 논문과 동일하다.

HD 163296 에서 가장 가까운 행성의 질량은 목성 질량의 반 정도일 것으로 추정되고 있으며 그 다음 행성은 대략 목성정도, 그리고 가장 멀리 떨어져 있는 행성은 목성 질량의 두 배 정도인 것으로 추정되고 있다.

 

 

행성의 대기

 

원시행성원반의 표면에서 중간층으로 떨어지는 가스의 흐름은 90년대 후반 이래 이론적 모델로 예측된 바 있지만 관측을 통해 밝혀진 것은 이번이 처음이다.

이번 관측자료는 갓 태어난 행성을 식별하는데 뿐만 아니라 거대한 가스상 행성에서 어떻게 대기가 형성되는지에 대해서도 활용될 수 있다. 

 

태그의 설명은 다음과 같다.

"행성이 형성되는 원시행성원반의 중간층은 별로부터 발생하는 강력한 복사로부터 차폐된 차가운 지역입니다.

우리는 행성에 의해 만들어진 간극이 화학적으로 좀더 활동성을 띠는 원반의 외곽층으로부터 비교적 고온의 가스를 끌어오는 작용을 하며 이렇게 끌려들어 온 가스가 행성의 대기를 형성한다고 생각합니다."

 

태그와 그의 연구팀은 이러한 현상을 직접적으로 관측할 수 있을거라고는 생각하지 않는다.

태그의 소감은 다음과 같다.

"HD 163296 주위를 감싸고 있는 원반은 ALMA 를 통해 관측한 원반으로서는 가장 밝고 가장 큰 원반입니다.

하지만 진짜 우리를 놀라게 만든 것은 가스의 흐름이 대단히 명확하게 관측되었다는 것입니다.

이 원반은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 역동적인 광경을 우리에게 보여주었습니다."

 

이번 논문의 공동저자인 미시간 대학의 테드 버긴(Ted Bergin)의 소감은 다음과 같다.

"이번 연구결과는 행성형성에 대해 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 완벽한 그림을 보여주었습니다.

가스의 흐름을 분석함으로써 목성과 같은 행성이 어떻게 만들어지는지 알 수 있었고 행성형성 당시의 화학적 조성에 대해서도 규명할 수 있었습니다.

아마도 이번 연구결과를 통해 몸집을 키워가며 계속 움직이는 행성들의 위치도 추적할 수 있을 것입니다."

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

 

그림 2> 3차원으로 분석한 원시행성원반에서의 가스의 흐름을 측정한 자료이다.

우선 별주위를 도는 흐름이 있고 그 흐름내에서 별 쪽으로 움직이거나 별 쪽에서 멀어지는 흐름이 있으며 원반 가운데 층으로 떨어지는 흐름이 있고 원반 가운데층에서 위 아래로 솟구치는 흐름이 있다.

오른쪽 상자에는 가스와 먼지를 한켠으로 밀치면서 간극을 만들고 있는 행성의 모습이 묘사되어 있다.

 

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bae; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

 

그림 3> 이 컴퓨터 시뮬레이션은 독특한 양상을 보이는 가스의 흐름과 이러한 독특한 양상이 원시행성원반 내의 세 지점에 행성이 존재하기 때문에 발생하는 것임을 추정적으로 보여주고 있다.

이 원시행성원반에 존재하는 행성들은 가스와 먼지를 한 켠으로 밀어내면서 간극을 만들고 있다.

이 간극 경계의 상층부에 있는 가스들은 폭포처럼 추락하면서 원반 내에서 가스의 순환양상을 만들어내고 있다.

 

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bae; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

동영상1> 이 동영상은 3개 행성의 형성에 의해 야기된 가스의 흐름이 어떻게 나타나는지 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 재현한 모습을 보여주고 있다.

 

 

Credit: IAU; Sky & Telescope magazine; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

 

표 1> 이 별지도에는 궁수자리에 위치한 어린 별 HD 163296의 위치를 보여주고 있다.

HD 163296은 398광년 거리에 위치하고 있다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2019년 10월 16일자 

       https://public.nrao.edu/news/gas-waterfalls-reveal-infant-planets-around-young-star/#PRimageSelected

         

참고 : 외계행성 및 원시행성계에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346973

         

원문>

 

 

 

Gas ‘Waterfalls’ Reveal Infant Planets around Young Star

ALMA witnesses planet formation in action

** Synopsis: For the first time, astronomers using ALMA have witnessed 3D motions of gas in a planet-forming disk. At three locations in the disk around a young star called HD 163296, gas is flowing like a waterfall into gaps that are most likely caused by planets in formation. These gas flows have long been predicted and would directly influence the chemical composition of planet atmospheres. This research is published in the latest issue of the journal Nature. **

The birthplaces of planets are disks made out of gas and dust. Astronomers study these so-called protoplanetary disks

 to understand the processes of planet formation. Beautiful images of disks made with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)

 show distinct gaps and ring features in dust, which may be caused by infant planets.

To get more certainty that these gaps are actually caused by planets, and to get a more complete view of planet formation, scientists study the gas in the disks in addition to dust. 99 percent of a protoplanetary disk’s mass is gas, of which carbon monoxide (CO) gas is the brightest component, emitting at a very distinctive millimeter-wavelength light that ALMA can observe.

Last year, two teams of astronomers demonstrated a new planet-hunting technique using this gas. They measured the velocity of CO gas rotating in the disk around the young star HD 163296. Localized disturbances in the movements of the gas revealed three planet-like patterns in the disk.

In this new study, lead author Richard Teague from the University of Michigan and his team used new high-resolution ALMA data from the Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) to study the gas’s velocity in more detail. “With the high fidelity data from this program, we were able to measure the gas’s velocity in three directions instead of just one,” said Teague. “For the first time, we measured the motion of the gas rotating around the star, towards or away from the star, and up- or downwards in the disk.”

Unique gas flows

Teague and his colleagues saw the gas moving from the upper layers towards the middle of the disk at three different locations. “What most likely happens is that a planet in orbit around the star pushes the gas and dust aside, opening a gap,” Teague explained. “The gas above the gap then collapses into it like a waterfall, causing a rotational flow of gas in the disk.”

This is the best evidence to date that there are indeed planets being formed around HD 163296. But astronomers cannot say with one hundred percent certainty that the gas flows are caused by planets. For example, the star’s magnetic field could also cause disturbances in the gas. “Right now, only a direct observation of the planets could rule out the other options. But the patterns of these gas flows are unique and it is very likely that they can only be caused by planets,” said co-author Jaehan Bae of the Carnegie Institution for Science, who tested this theory with a computer simulation of the disk.

The location of the three predicted planets in this study correspond to the results from last year: they are likely located at 87, 140 and 237 AU. (An astronomical unit – AU – is the average distance from the Earth to the Sun.) The closest planet to HD 163296 is calculated to be half the mass of Jupiter, the middle planet is Jupiter-mass, and the farthest planet is twice as massive as Jupiter.

Planet atmospheres

Gas flows from the surface towards the midplane of the protoplanetary disk have been predicted by theoretical models to exist since the late ‘90s, but this is the first time that they have been observed. Not only can they be used to detect infant planets, they also shape our understanding of how gas giant planets obtain their atmospheres.

“Planets form in the middle layer of the disk, the so-called midplane. This is a cold place, shielded from radiation from the star,” Teague explained. “We think that the gaps caused by planets bring in warmer gas from the more chemically active outer layers of the disk, and that this gas will form the atmosphere of the planet.”

Teague and his team did not expect that they would be able to see this phenomenon. “The disk around HD 163296 is the brightest and biggest disk we can see with ALMA,” said Teague. “But it was a big surprise to actually see these gas flows so clearly. The disks appears to be much more dynamic than we thought.”

“This gives us a much more complete picture of planet formation than we ever dreamed,” said co-author Ted Bergin of the University of Michigan. “By characterizing these flows we can determine how planets like Jupiter are born and characterize their chemical composition at birth. We might be able to use this to trace the birth location of these planets, as they can move during formation.”

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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Iris Nijman
Interim Public Information Officer for ALMA
alma-pr@nrao.edu

This research is presented in a paper titled: “Meridional flows in the disk around a young star,” by R. Teague, et al. in Nature. Doi: 10.1038/s41586-019-1642-0

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