가장 밝은 별로부터의 '거리'가 원시행성원반의 존재를 결정한다.

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), and the Westerlund 2 Science Team
사진 1>
이 사진은 허블우주망원경 25주년 기념으로 발표된 웨스터룬드 2(Westerlund 2)의 중심부를 보여주고 있다. 
허블우주망원경에 장착되어 있는 근적외선카메라는 먼지가득한 환경을 투시하여 별들의 육아실을 들여다볼 수 있다. 
이를 통해 천문학자들은 성단 중심에 빽빽하게 몰려 있는 별들을 선명하게 볼 수 있다.

 

Credit: 
NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI), and the Westerlund 2 Science Team
사진 2>
이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 웨스터룬드 2와 그 주변의 사진으로서 허블우주망원경 발사 25주년을 기념하여 발표된 것이다. 사진 중심에 웨스터룬드 2가 보인다. 
이 사진은 ACS의 가시광선 사진과 WFC3의 근적외선 사진을 합성한 것으로 웨스터룬드 2를 감싸고 있는 주변 지역은 ACS의 가시광선으로 촬영한 것이다. 

 

Credit: NASA, ESA, Digitized Sky Survey 2          
사진 3>
이 사진은 디지털촬영을 이용한 온하늘탐사(the Digitized Sky Survey)를 통해 제작된 웨스터룬드 2와 그 주변의 사진이다. 

허블우주망원경이 고밀도로 별들이 빽빽하게 몰려 있는 어린 성단인 웨스터룬드2에 대한 3년 간의 연구를 이끄는데 사용되었다.

이번 연구를 통해 성단의 중심 부근의 별들을 휘감고 있는 물질들에는 고밀도 거대 먼지 구름이 상당히 결핍되어 있다는 사실이 발견되었다.

이 먼지 구름이 있었다면 향후 수백만년 이내에 이곳에서 행성이 생성될 것이라는 점을 충분히 예측할 수 있었을 것이다. 이러한 물질의 결핍은 강력한 빛을 쏟아내고 있는 무거운 별들이 이들 가스와 먼지 원반을 밀어내면서 퍼트려버렸기 때문이다. 
고밀도 성단의 환경이 행성 형성에 얼마나 유리할지를 연구한 것은 이번이 처음이다. 

2016년부터 2019년까지 진행된 이 연구에서는 별들의 진화 초기단계와 그 단계에서 별을 둘러싼 주위 환경의 진화가 연구되었다.[1] 
이제까지 이와 같은 연구는 가까이 있는 저밀도 별생성구역에 한정하여 진행되었다. 
천문학자들은 이 연구의 지평을 넓히기 위해 허블우주망원경을 이용하여 미리내에 있는 젊은 고밀도 성단의 중심을 연구하였으며 웨스터룬드 2가 그 첫 대상이 되었다. 
이를 통해 성단의 중심지역에서 행성이 형성되는 것은 상당히 어렵다는 것을 알게 되었다. 
또한 이번 연구를 통해 성단 주변에 자리잡고 있는 별들은 거대한 행성을 만들 수 있는 먼지구름을 품고 있다는 것도 알게 되었다. 

왜 동일한 웨스터룬드 2 성단 내에서 어떤 별들은 행성을 만들기가 쉽지 않고, 어떤 별들은 행성을 만들 재료를 많이 가지고 있을까?
천문학자들은 그 원인이 주로 위치때문이라고 말한다. 

 

성단에서 가장 질량이 크고 밝은 별들은 중심에 집중하는 경향이 있다. 
웨스터룬드 2에는 극단적으로 무거운 질량을 가진 별이 최소 37개 위치하고 있다. 
이 별들 중 어떤 것은 그 질량이 무려 태양의 100배에 달한다. 
이들로부터 쏟아져나오는 맹렬한 자외선 복사와 태풍처럼 몰아치는 별폭풍은 마치 토치램프처럼 작용하면서  이웃 별들이 휘감고 있는 원반을 깎아내버리고 거대한 먼지 구름들도 뿔뿔히 흐트려 버린다. 

 이번 연구의 수석연구원인 우주망원경과학연구소 엘레나 사비(Elena Sabbi)의 설명은 다음과 같다.
"기본적으로 거대한 별들이 있다면 이 별의 에너지는 원반의 속성을 바꿔버리는 작용을 합니다.
원반은 계속 남을지 모르지만 원반에 있는 먼지의 구성성분은 완전히 바뀌고 말죠. 
따라서 궁극적으로 행성을 만드는데 필요한 안정적인 구조가 만들어지기 어렵게 되는 것입니다. 
우리는 이 먼지가 결국 1백만년 내에 모두 증발되어 버리거나 먼지의 속성과 크기가 드라마틱한 변화를 겪게 되어 행성이 만들어지는데 필요한 기본 벽돌조차 존재하지 않을 것으로 예상하고 있습니다."

웨스터룬드 2는 대단히 젊고 어마어마하게 많은 별들을 보듬고 있는, 상대적으로 가까운 거리에 있는 천체여서 별들의 진화 과정을 연구하는데 있어 독보적인 실험실이 되고 있는 천체이다. 
이 성단은 용골자리 방향으로 14,000 광년 거리에 위치하고 있는 검 29(Gum 29)라는 이름의 별생성 구역에 자리잡고 있다.  
별들의 요람은 일반적으로 먼지에 둘러싸여 있어 관측이 어려운 지역이다. 
하지만 허블우주망원경에 장착된 WFC3는 근적외선을 이용하여 이 먼지를 투과함으로써 천문학자들이 연구에 필요한 깨끗한 화상을 제공해 주고 있다. 
또한 허블의 고해상도 관측 능력은 성단의 중심지역에 빽빽하게 몰려 있는 별들을 하나하나 분해하여 연구할 수 있도록 해 주고 있다. 

연구팀의 일원인 카나리천체물리연구소(the Instituto de Astrofisica de Canarias) 및 라 라구나대학(the Universidad de La Laguna) 데니 레논(Danny Lennon)의 설명은 다음과 같다.
"그 나이가 채 2백만 년도 되지 않는 웨스터룬드 2는 미리내에서 가장 무겁고 가장 뜨거운 어린 별들을 품고 있습니다. 
따라서 이 성단의 주변은 태양 질량의 100배에 댈하는 어마어마한 규모의 별들로부터 뿜어져나오는 강력한 별폭풍과 자외선 복사로 끊임없이 폭격을 받고 있는 상태입니다." 

사비와 동료들은 웨스터룬드에서 거의 5,000개에 달하는 별들이 태양 질량대비 0.1배에서 5배 사이 질량 범주에 해당한다는 것을 알아냈다.

이들 중 1,500개는 드라마틱한 밝기 변동을 보여주고 있었는데, 이러한 현상은 주로 거대한 먼지 구조체나 미행성체 때문에 발생하는 것으로 추정되고 있다. 
별 주위를 도는 물질들이 잠깐씩 별빛을 막아서면서 별빛의 요동을 만들어내고 있는 것이다. 
하지만 허블우주망원경으로서는 오직 성단 중심지역 외곽에 있는 별들 주위에 있는 먼지 입자의 신호들만 포착할 수 있었다. 
성단 중심으로부터 4광년 거리 내에 있는 별들에서는 이러한 밝기 변화가 감지되지 않은 것이다. 

사비의 설명은 다음과 같다.
"우리는 별빛의 동요를 만들어낸 것들이 형성이 진행중인 미행성체나 모종의 구조물들 때문이라 생각합니다. 
이들은 시간이 지나면 궁극적으로 행성을 만들어낼 수 있는 씨앗에 해당하죠. 
하지만 이러한 구조들은 대단히 큰 질량을 가진 별 인근에서는 볼 수 없었습니다.
그저 중심에서 떨어져 있는 외곽에 있는 별들에서만 발견할 수 있었죠."
  
허블우주망원경 덕분에 지금의 천문학자들은 강착작용이 진행중인 별들의 모습을 볼 수 있게 되었다. 
이는 거대한 별들이 장악했던 초기 우주의 성단과 비슷한 모습이다. 
거대한 질량의 별들을 품고 있는 별들의 육아실로서 우리 인근에 가장 잘 알려진 천체는 오리온 성운이다. 
하지만 웨스터룬드 2는 훨씬 더 많은 별들을 거느리고 있다. 

사비의 설명은 다음과 같다.
"웨스터룬드 2는 별의 질량이 별의 진화에 어떠한 영향을 미치는지, 그 진화 속도는 얼마나 달라지는지에 대해 훨씬 더 많은 통계자료를 제공해 주고 있습니다. 
우리는 여기서 원반의 진화를 볼 수 있고, 이러한 일련의 시스템에서 별과의 상호작용 중에 발생하는 속성의 변화에 대한 중요성을 알 수 있습니다. 
우리는 이 모든 정보들을 행성의 형성과 별의 진화 모델에 추가할 수 있게 되었습니다."

웨스터룬드 2는 차세대 적외선 망원경인 제임스웹우주망원경의 최상의 관측대상이 될 것이다. 
허블우주망원경은 행성을 거느릴 수 있을만한 별들을 식별하는데 많은 도움을 주고 있다. 
과학자들은 제임스웹우주망원경을 함께 활용하여 별 주위를 휘감고 있는 어떤 원반에서는 물질이 강착되지 않고,  어떤 원반에서는 행성이 만들어질 수 있는 물질들이 존재하는지를 연구하게 될 것이다. 
제임스웹우주망원경은 또한 서로 다른 진화단계에 있는 원반의 화학적 조성과 이들이 어떻게 변화해 가는지를 연구할 수 있게 해 줄 것이다. 
이를 통해 천문학자들은 진화에 있어 이러한 환경이 수행하는 요소가 무엇인지를 알 수 있게 될 것이다. 

 

레논의 소감은 다음과 같다.
"이번 작업을 통해 알 수 있었던 주요 내용은 가장 큰 무거운 별에서 쏟아져나오는 강력한 자외선 복사가 주위 별들이 거느리고 있는 원반을 변화시키고 있다는 것이었습니다.

이러한 사실이 제임스웹우주망원경으로 이용하여 수집한 측정치와 함께 확정된다면 왜 늙은 구상성단에서는 행성계가 그렇게 드물게 존재하는지 설명해줄 수 있을 것입니다."

 

각주
[1]이번 관측은 허블우주망원경관측프로그램 #14087, #15362, #15514를 통해 수행되었다. 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2020년 5월 28일 Science Release

        https://www.spacetelescope.org/news/heic2009/

 

참고 : 웨스터룬드 2를 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346975