WDJ0914+1914 : 행성을 거느리고 있는 백색왜성

 

Credit:ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 그림은 백색왜성 WDJ0914+1914와 그 주위를 도는 해왕성형 외계행성을 그린 상상화이다. 

이 얼음행성은 뜨거운 백색왜성과 가까운 거리에서 공전하고 있다. 

그래서 별로부터 쏟아져나오는 강력한 자외선 복사에 의해 행성의 대기가 벗겨져 나가고 있다. 

이렇게 벗겨져 나간 대기 대부분은 우주 공간으로 사라지지만 그 중의 일부는 백색왜성 주위에 강착되어 소용돌이치는 원반을 만들고 있다. 

 

과학자들이 ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, VLT)을 이용하여 백색왜성과 연관된 거대행성의 증거를 사상 처음으로 발견했다.  

이 행성은 태양과 같은 별의 잔해인 뜨거운 백색왜성 주위를 아주 가까이에서 돌고 있다.

그래서 그 대기가 벗겨져 나가고 있으며 그 중 일부가 백색왜성 주위에 가스 원반을 만들고 있다. 

이 독특한 행성계는 우리 태양계의 먼 훗날을 보여주는 단서일지도 모른다. 

 

2019년 12월 4일 네이처지에 개재된  이번 연구를 이끈 영국 워릭대학교(the University of Warwick) 보리스 갠지케(Boris Gänsicke)와 연구팀은 슬론디지털온하늘탐사(the Sloan Digital Sky Survey)에서 관측된 7,000개의 백색왜성을 조사하여 다른 백색왜성과는 다른 특징을 가진 백색왜성 하나를 찾아냈다. 

연구팀은 이 별이 뿜어내는 빛에서 나타나는 미묘한 변조를 분석하여 이전에는 전혀 관측되지 않았던 화학원소들의 흔적을 발견했다. 

연구팀은 이곳에서 뭔가 특별한 일이 벌어지고 있음을 알아차렸고 그것이 특정 종류의 행성체와 연관이 있을 것으로 추측했다. 

 

WDJ0914+1914로 명명된 이 독특한 별의 속성을 더 알아내기 위해 연구팀은 ESO VLT에 장착된 엑스-슈터(X-shooter) 장비를 이용하여 이 별을 분석하였다. 

일련의 후속 관측결과 백색왜성과 연관된 수소와 산소, 황의 존재가 확정되었다. 

엑스-슈터(X-shooter)로 수집된 분광 데이터를 보다 정밀하게 분석하자 이 원소들이 별 자체가 아닌 별 주위를 휘감고 있는 가스 원반에 존재함을 알 수 있었다. 

 

이 행성계의 과거와 미래의 진화 양상을 컴퓨터로 분석한 칠레 발파라이소 대학의 마티아스 슈라이버(Matthias Schreiber)는  이와 같은 원반을 만드는 유일한 가능성이 거대행성의 대기 증발이라고 생각하는 것은 매우 어려운 일이었고 그 생각을 가다듬기까지 몇 주가 걸렸다고 말했다. 

 

감지된 수소와 산소, 황의 양은 해왕성이나 천왕성과 같은 거대한 얼음 행성의 깊은 대기 층에서 발견되는 양과 유사했다. 

만약 해왕성이나 천왕성과 같은 행성이 뜨거운 백색왜성 가까이에서 공전하고 있다면 별로부터 쏟아져나오는 강력한 자외선 복사로 인해 행성의 외곽 대기층이 벗겨져 버릴 것이고 이렇게 떨어져나온 가스들이 백색왜성 주변에 강착하여 원반을 만들 수 있을 것이다. 

과학자들은 바로 이러한 모습이 WDJ0914+1914 주위에서 연출되고 있는 것이라고 생각했다. 

그렇다면 이 행성은 백색왜성 주위를 돌고 있는 첫번째 증발행성이 된다. 

 

영국과 독일, 칠레에서 온 천문학자들로 구성된 연구팀은 관측 데이터를 이론적 모델과 결합하여 이 독특한 행성계의 모습을 좀더 명확하게 그려볼 수 있었다. 

백색왜성은 아주 작은 별이며 섭씨 28,000도라는 극단적인 온도로 들끓고 있다.(이는 태양 온도의 5배에 해당한다.)

이와 반대로 행성은 거대한 얼음 행성이다. 그 크기는 별의 최소 두 배에 달한다. 

이 행성은 아주 가까운 거리에서 백색왜성 주위를 공전하고 있다. 

공전 주기는 고작 10일에 지나지 않는다. 

때문에 별로부터 쏟아져나오는 고에너지 광자는 행성의 대기를 점진적으로 벗겨버리고 있다. 

대부분의 가스들은 우주공간으로 밀려나버리지만 일부는 별쪽으로 추락하여 별 주위에 소용돌이치는 원반을 만들고 있다. 

이렇게 유입되는 대기는 초당 3천 톤 정도이다. 

이 원반이 아니라면 해왕성과 유사한 행성이 관측되었을 것이다. 

 

 

백색왜성을 휘감고 있는 가스원반의 모델을 발전시킨 워릭 대학교 오데트 톨로자(Odette Toloza)는 별 주위를 돌고 있는 원반에서 산소나 황과 같은 가스의 양을 측정한 것은 이번이 처음이며 이 정보는 행성 대기의 성분에 대한 단서를 제공해 준다고 말했다. 

   

갠지케는 이번 발견이 행성계의 최후에 대한 새로운 시각을 제공해 준다는데 의미가 있다고 말했다.  

 

우리 태양과 같은 별은 생애 대부분을 핵에서 수소를 태우면서 보낸다. 

수소가 고갈되면 적색거성으로 부풀어올라 현재보다 수백 배 커지게 되고 주위에 있는 행성들을 집어삼킬 것이다. 

태양계의 경우 수성과 금성, 지구는 적색거성으로 부풀어오른 태양에 집어삼켜질 것이다 

이 일은 약 50억년 후 일어나게 된다. 

결국 태양과 같은 별은 자신의 외곽 표피층을 우주로 떨어버리게 되고 다 타버린 중심핵만 남게 되는데 바로 이것이 백색왜성이다. 

이러한 별의 잔해도 여전히 행성들을 거느릴 수 있다. 

우리 은하에도 이와 같은 행성개가 많이 존재하는 것으로 추정된다. 

하지만 아직까지 백색왜성 주위에서 연명하고 있는 거대한 행성의 증거는 발견되지 않았다. 

게자리 방향으로 1,500광년 거리에서 WDJ0914+1914 주위를 돌고 있는 외계행성의 발견은 수없이 많이 존재할 것으로 예측되는 백색왜성 행성계로는 처음으로 관측된 사례일 것이다. 

 

과학자들에 따르면 엑스-슈터(X-shooter)의 도움으로 이번에 발견된 행성은 자신의 별로부터 약 1천만 킬로미터 거리를 두고 공전하고 있다. 

이는 고작 태양 직경의 15배 밖에 되지 않는 거리로서 적색왜성이라면 그 안에 빠져버리는 거리에 해당한다. 

이 행성의 독특한 위치로 볼 때 특정 행성계의 별이 백색왜성이 된다면 행성들은 별 쪽으로 가까이 붙게 된다고 추정해 볼 수 있다. 

천문학자들은 이러한 새로운 공전궤도가 행성계 내의 또다른 행성들과 영향을 주고받은 결과일 수 있다고 생각한다. 

이는 행성계를 이끌고 있는 별이 백색왜성으로 진화한 파괴적인 변화를 겪은 뒤에도 살아남은 행성이 하나 이상 있을 수 있음을 의미한다. 

 

갠지케의 설명은 다음과 같다.

"아직까지 죽어가는 별 주위를 돌고 있는 행성의 운명에 대해 연구하는 천문학자들은 많지 않습니다.

 백색왜성처럼 이미 연료를 모두 소진해버린 별 주위를 가까이에서 돌고 있는 행성을 발견한 것은 시간이 지남에 따라 지금까지 우리가 쌓아온 생각을 넘어서

 도전해야 한다는 것을 말해주고 있습니다." 

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

표1> 이 표는 게자리에 있는 백색왜성 WDJ0914+1914의 위치를 표시한 것이다. 

       지도상의 별들은 관측하기 좋은 조건이라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다. 

       백색왜성 WDJ0914+1914의 위치는 붉은색 원으로 표시되어 있다. 

       이 백색왜성 주위를 돌고 있는 해왕성형 외계행성은 증발하고 있는 행성으로서 백색왜성 주위를 도는 거대 행성으로는 처음으로 발견된 것이다. 

 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2019년 12월 4일자 

       https://www.eso.org/public/news/eso1919/

         

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

 

원문>

eso1919 — Science Release

First Giant Planet around White Dwarf Found

ESO observations indicate the Neptune-like exoplanet is evaporating

4 December 2019

 

Researchers using ESO’s Very Large Telescope have, for the first time, found evidence of a giant planet associated with a white dwarf star. The planet orbits the hot white dwarf, the remnant of a Sun-like star, at close range, causing its atmosphere to be stripped away and form a disc of gas around the star. This unique system hints at what our own Solar System might look like in the distant future.

“It was one of those chance discoveries,” says researcher Boris Gänsicke, from the University of Warwick in the UK, who led the study, published today in Nature. The team had inspected around 7000 white dwarfs observed by the Sloan Digital Sky Survey and found one to be unlike any other. By analysing subtle variations in the light from the star, they found traces of chemical elements in amounts that scientists had never before observed at a white dwarf. “We knew that there had to be something exceptional going on in this system, and speculated that it may be related to some type of planetary remnant.” 

To get a better idea of the properties of this unusual star, named WDJ0914+1914, the team analysed it with the X-shooter instrument on ESO’s Very Large Telescope in the Chilean Atacama Desert. These follow-up observations confirmed the presence of hydrogen, oxygen and sulphur associated with the white dwarf. By studying the fine details in the spectra taken by ESO’s X-shooter, the team discovered that these elements were in a disc of gas swirling into the white dwarf, and not coming from the star itself.

“It took a few weeks of very hard thinking to figure out that the only way to make such a disc is the evaporation of a giant planet,” says Matthias Schreiber from the University of Valparaiso in Chile, who computed the past and future evolution of this system.

The detected amounts of hydrogen, oxygen and sulphur are similar to those found in the deep atmospheric layers of icy, giant planets like Neptune and Uranus. If such a planet were orbiting close to a hot white dwarf, the extreme ultraviolet radiation from the star would strip away its outer layers and some of this stripped gas would swirl into a disc, itself accreting onto the white dwarf. This is what scientists think they are seeing around WDJ0914+1914: the first evaporating planet orbiting a white dwarf.

Combining observational data with theoretical models, the team of astronomers from the UK, Chile and Germany were able to paint a clearer image of this unique system. The white dwarf is small and, at a blistering 28 000 degrees Celsius (five times the Sun's temperature), extremely hot. By contrast, the planet is icy and large—at least twice as large as the star. Since it orbits the hot white dwarf at close range, making its way around it in just 10 days, the high-energy photons from the star are gradually blowing away the planet's atmosphere. Most of the gas escapes, but some is pulled into a disc swirling into the star at a rate of 3000 tonnes per second. It is this disc that makes the otherwise hidden Neptune-like planet visible.

“This is the first time we can measure the amounts of gases like oxygen and sulphur in the disc, which provides clues to the composition of exoplanet atmospheres,” says Odette Toloza from the University of Warwick, who developed a model for the disc of gas surrounding the white dwarf.

“The discovery also opens up a new window into the final fate of planetary systems,” adds Gänsicke.

Stars like our Sun burn hydrogen in their cores for most of their lives. once they run out of this fuel, they puff up into red giants, becoming hundreds of times larger and engulfing nearby planets. In the case of the Solar System, this will include Mercury, Venus, and even Earth, which will all be consumed by the red-giant Sun in about 5 billion years. Eventually, Sun-like stars lose their outer layers, leaving behind only a burnt-out core, a white dwarf. Such stellar remnants can still host planets, and many of these star systems are thought to exist in our galaxy. However, until now, scientists had never found evidence of a surviving giant planet around a white dwarf. The detection of an exoplanet in orbit around WDJ0914+1914, located about 1500 light years away in the constellation of Cancer, may be the first of many orbiting such stars.

According to the researchers, the exoplanet now found with the help of ESO’s X-shooter orbits the white dwarf at a distance of only 10 million kilometres, or 15 times the solar radius, which would have been deep inside the red giant. The unusual position of the planet implies that at some point after the host star became a white dwarf, the planet moved closer to it. The astronomers believe that this new orbit could be the result of gravitational interactions with other planets in the system, meaning that more than one planet may have survived its host star’s violent transition.

“Until recently, very few astronomers paused to ponder the fate of planets orbiting dying stars. This discovery of a planet orbiting closely around a burnt-out stellar core forcefully demonstrates that the Universe is time and again challenging our minds to step beyond our established ideas,” concludes Gänsicke.

More information

This research was presented in a paper to appear in Nature.

The team is composed of Boris Gänsicke (Department of Physics & Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick, UK), Matthias Schreiber (Institute of Physics and Astronomy, Millennium Nucleus for Planet Formation, Valparaiso University, Chile), Odette Toloza (Department of Physics, University of Warwick, UK), Nicola Gentile Fusillo (Department of Physics, University of Warwick, UK), Detlev Koester (Institute for Theoretical Physics and Astrophysics, University of Kiel, Germany), and Christopher Manser (Department of Physics, University of Warwick, UK).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 16 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Ireland, 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. Also at Paranal ESO will host and operate the Cherenkov Telescope Array South, the world’s largest and most sensitive gamma-ray observatory. 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

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Tel: +44 247 657 4741
Email: boris.gaensicke@warwick.ac.uk

Matthias Schreiber
Valparaiso University
Chile
Tel: +56 32 299 5518
Email: matthias.schreiber@uv.cl

Odette Toloza
University of Warwick
UK
Email: odette.toloza@warwick.ac.uk

Nicola Gentile Fusillo (study co-author)
European Southern Observatory and University of Warwick
Germany
Tel: +49 8932 0067 50
Cell: +44 7476 9595 49
Email: ngentile@eso.org

Christopher Manser (study co-author)
University of Warwick
UK
Tel: +44 7516 8167 53
Email: c.manser@warwick.ac.uk

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