VANDAM 서베이 : 갓태어난 어린 별은 어떻게 행성의 탄생을 준비하고 있을까?

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

 

사진 1> VANDAM 서베이 

ALMA와 VLA를 이용하여 오리온분자구름에 있는 300개 이상의 원시별과 원시행성원반을 관측하였다. 

이 사진은 이 별들 중 일부로서 약간의 이중별도 포함되어 있다. 

ALMA와 VLA의 데이터는 상보적인 관계에 있다. 

ALMA는 외곽의 원반 구조를 관측하였다.(사진에 파란색으로 표시되어 있음).

VLA는 원반 안쪽과 별의 핵을 관측하였다. (사진에 주황색으로 표시되어 있음)

 

천문학자들로 구성된 국제연구팀이 가장 강력한 성능을 자랑하는 두 개의 전파망원경을 이용하여 오리온분자구름 내에 있는 갓 태어난 어린 별 주위에 형성된 원시행성원반들의 사진을 300장 이상 촬영해냈다. 

이 사진들은 행성이 탄생하는 곳에 대한 세부 정보와 별 생성의 가장 이른 단계에 대한 비밀을 말해주고 있다. 

 

대부분의 별들을 행성을 거느린다. 

이 행성들은 이른바 원시행성원반이라 불리는 먼지와 가스로 만들어진 고리에서 태어난다. 

심지어 대단히 어린 별들도 이러한 원반을 가지고 있다. 

 

천문학자들은 언제 이 원반이 형성되기 시작하는지, 그리고 형성되기 시작하는 원반이 어떻게 보이는지 알기 위해 이번 관측을 진행했다. 

하지만 갓태어난 어린 별은 매우 희미하고 갓 태어난 별들이 있는 곳은 대개 매우 두꺼운 가스와 먼지 구름들에 휩싸여 있다. 

따라서 대단히 감도가 높은 전파 망원경 배열이 아니라면 이처럼 두껍게 모여 있는 먼지 구름 속의 어린 별들을 관측해 낼 수 없다. 

 

천문학자들은 이번 연구를 위해 국립과학재단의 칼잰스키극대배열전파망원경(Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)과 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용하여 많은 별들이 탄생하고 있는 지역인 오리온분자구름을 관측했다.  

 

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

 

사진 2> 오리온분자구름의 원시별관측.

이 사진은 VANDAM의 관측 대상인 오리온분자구름을 담고 있다. 

노란색 점들은 이번에 관측된 원시별들이 있는 위치이다. 파란색의 배경사진은 허셜우주망원경에 의해 촬영된 것이다. 

양쪽으로는 ALMA(파란색)와 VLA(주황색)로 담은 9개의 원시별 사진이 나열되어 있다. 

 

VLA와 ALMA를 이용한 원시행성원반 및 원시행성원반의 다양성 탐사(VLA/ALMA Nascent Disk and Multiplicity, 이하 VANDAM)라 불리는 이번 연구는 갓 태어난 어린 별과 그 별이 가지고 있는 원반에 대한 가장 대규모 탐사 프로그램이다. 

원시별(protostar)이라 불리는 어린 별들은 가스와 먼지 구름 속에서 탄생한다. 

생성의 첫번째 단계는 고밀도 먼지 구름이 중력에 의해 붕괴되는 것이다. 

먼지 구름이 붕괴될 때 회전이 시작되고 원시별 주위를 둘러싼 평평한 원반이 형성된다. 

이 원반을 구성하는 물질들은 지속적으로 별쪽으로 추락하고, 별은 점점 몸집을 키워나간다. 

그리고 마지막까지 원반에 남은 물질들이 행성을 만드는 것으로 추정된다. 

 

별의 형성에 있어 첫 단계에 해당하는 이 단계에는 어떻게 원반이 만들어지는지를 비롯한 많은 부분들이 여전히 명확하지 않은 상태로 남아 있다. 

하지만 고밀도 먼지 구름을 꿰뚤어 볼 수 있는 VLA와 ALMA를 이용하여 수 백 개의 원시별을 관측하고 다양한 형성 단계에 있는 원반들을 관측하여 별과 원시행성원반의 형성에 대해 그 동안 알 수 없었던 단서들을 얻을 수 있게 되었다. 

 

원시행성원반의 형성 초기 

 

연구팀의 책임자인 국립전파천문대 존 토빈(John Tobin)의 설명은 다음과 같다.

"이번 관측을 통해 형성 초기 단계에 있는 원시행성원반의 평균적인 질량과 크기를 알 수 있었습니다. 

우리는 이 수치를 ALMA를 이용하여 좀더 오래된 원반들과 비교하는 강도높은 연구를 진행할 수 있었습니다."

 

토빈과 연구팀이 발견한 것은 갓 만들어진 원반들의 크기는 비교적 오래된 원반과 비슷하지만 그 질량은 훨씬 더 무겁다는 것이었다. 

토빈의 설명은 다음과 같다.

"별은 원반을 구성하고 있는 물질들을 먹어치우면서 몸집을 키워나가죠. 

이를 바꿔 말하면 더 어린 원반일수록 행성을 만들 수 있는 원재료가 더 많다는 것을 의미합니다. 

따라서 갓 태어난 별들 주위에는 이미 비교적 덩치가 큰 행성들이 만들어지기 시작했을 가능성이 있습니다."

  

특별한 4개의 원시별. 

 

수 백 개의 사진들 중 다른 원시별과는 다른 모습을 보여주는 4개의 원시별이 과학자들의 주의를 끌었다. 

연구팀의 일원인 SOFIA 과학 센터의 니콜 카르나스(Nicole Karnath)의 설명은 다음과 같다.

"이제 막 탄생한 이 4개 별들은 형태도 일정하지 않고 거품이 인 것처럼 보입니다. 

저희는 이 별들이 별의 생성 초기에서도 가장 이른 시기의 별들일 것으로 생각하고 있습니다. 

어떤 것들은 아직 원시별이라 불릴 수도 없는 것들이죠."

 

이 4개 별의 발견은 과학자들에게는 매우 특별한 일이었다. 

카르나스는 이 4개의 별들을 이용하여 형성의 최초 단계를 담은 개략적 경로를 제시했다. 

카르나스의 설명은 다음과 같다.

"우리는 이따금 한 번 관측을 할 때마다 이처럼 불규칙한 형태를 가진 천체를 하나 이상 발견했습니다. 

이 별들이 과연 형성이 되기 시작하고나서 얼마나 지난 것인지는 확실치 않습니다. 

하지만 대략 1만 년 이하 정도이지 않을까 생각합니다."

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), N. Karnath; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton and S. Dagnello

 

사진 3> 원시별의 생성 개요도 

이 그림은 원시별의 생성 경로로 제안된 개요도로서 이번에 관측된 별들 중 가장 나이가 어린 것으로 추정된 4개의 원시별(아래 줄)을 촬영한 VLA(주황색)와 ALMA(파란색)의 데이터를 근거로 구성된 것이다. 

1단계. 가스와 먼지 덩어리가 붕괴되고 있다. 

2단계. 구름 속에서 불투명한 지역이 형성되기 시작한다. 

3단계. 유체정역학에 따라 핵이 만들어지기 시작하고 이로부터 압력과 온도가 상승한다. 이 핵은 원반형의 구조에 둘러싸여 있고 바깥으로 몰아쳐나오는 폭풍이 시작된다. 

4단계. 불투명한 지역 속에서 클래스 0에 해당하는 원시별이 생성되고 있다. 이 단계에는 별 주변을 돌고 있는 원반과 좀더 형태가 뚜렷해진 폭풍이 형성되어 있다. 

5단계. 전형적인 클래스 0에 해당하는 원시별. 별폭풍에 의해 주위를 둘러싼 먼지들이 밀쳐지면서 가시광선에서 그 모습이 드러나기 시작한다. 강착작용이 활발하게 일어나며 별 주위를 도는 원반을 가지고 있다. 

아랫 줄에서 하얀색 테두리로 묘사된 덩어리들은 ALMA로 관측한 원시별의 폭풍이다. 

 

클래스 0에 해당하는 전형적인 원시별로 구분되려면 그 별은 반드시 평평한 원반을 가지고 있어야 하며, 서로 반대방향으로 뿜어져나오는 폭풍도 있어야 한다. 

이 폭풍은 주변을 둘러싸고 있는 두꺼운 구름들을 제거하여 그 별이 가시광선에서 모습을 드러내게 만드는 역할도 한다. 

외부로 몰아쳐나오는 폭풍이 중요한 이유는 이 폭풍이 별이 성장해 나가는 동안 통제되지 못할 정도의 자전을 막아내는 역할을 하기 때문이다. 

하지만 과연 언제부터 이 폭풍이 뿜어져나오기 시작하는지는 여전히 알지 못하고 있다. 

 

HOPS 404라는 이름의 별은 이번 연구대상이 된 원시별 중 하나이다. 

이 별은 고작 초속 2킬로미터밖에 되지 않는 폭풍을 뿜어내고 있었다. 

일반적으로 원시별로 분류된 별들의 폭풍은 최하 초속 10킬로미터에서 최대 초속 100킬로미터 정도이다.  

 

카르나스의 설명은 다음과 같다.

"이 별은 크게 부풀어 오른 별입니다. 여전히 상당한 양의 물질들을 빨아들이고 있죠. 

하지만 이제막 폭풍을 뿜어내기 시작했고, 이로서 성장을 지속할 수 있는 각운동량을 잃기 시작했습니다. 

이 폭풍은 여지껏 우리가 봐온 폭풍 중 가장 규모가 작은 폭풍이며 원시별의 형성 첫단계가 어떤 모습을 띠고 있는지에 대한 우리의 이론을 뒷받침해주는 현상이라 생각합니다."

 

ALMA와 VLA 데이터를 합치다. 

 

ALMA와 VAL가 제공해준 높은 해상도와 고감도의 사진들은 원시별의 안쪽 지역과 바깥 지역, 그리고 그 주위를 둘러싼 원반들을 이해하는데 핵심적인 정보가 되었다. 

ALMA는 원시별을 둘러싸고 있는 두꺼운 먼지를 매우 상세하게 관측할 수 있다. 

한편 VLA의 장파장을 이용하여 촬영된 사진들은 생성 초기에 있는 원시별들의 내부 구조를 우리 태양계보다 작은 규모 범주에서 살펴보는데 중요한 정보가 되었다. 

 

토빈은 ALMA와 VLA 데이터를 함께 활용하여 갓태어난 어린 별과 원시행성원반에 대한 최상의 관측 자료를 얻을 수 있었다며 행성의 형성이 어떻게 시작되는지를 알게 해준 이 관측 설비에 감사한다고 말했다. 

 

이번 연구는 하기 두 개의 논문으로 발표되었다. 

 

존 토빈과 동료들. "오리온분자구름의 원시별들에 대한 VANDAM 관측. 클래스 0과 클래스 I의 원시행성원반에 대한 통계적 특성 규명"

(The VLA/ALMA Nascent Disk and Multiplicity (VANDAM) Survey of Orion Protostars. A Statistical Characterization of Class 0 and I Protostellar Disks) 

아스트로피지컬 개재 주소 : https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab6f64

 

니콜 카르나스와 동료들.

"서브밀리미터로 바라본 오리온 분자 구름의 불투명한 내부 구조에서 포착된 일정치 않은 형태의 천체 : 과연 연령 1만 년도 안된 원시별일까?"

(Detection of Irregular, Sub-mm Opaque Structures in the Orion Molecular Clouds: Protostars within 10000 years of formation?)

아스트로피지컬 개재 주소 : https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab659e

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2020년 2월 20일자 

        https://public.nrao.edu/news/how-newborn-stars-prepare-for-the-birth-of-planets/#PRimageSelected

         

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

참고 : 다양한 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346972