완전하게 바라본 별의 최후 : NGC 6302, NGC 7027

CREDITS: NASA, ESA, and J. Kastner (RIT)

 

대부분의 별들은 핵융합 엔진으로 수억 년에서 수천억 년에 이르는 평온한 삶을 살다 간다. 
하지만 삶의 마지막 단계에 이르면 미친듯한 회전 운동을 하며 뜨거운 가스와 외피를 쏟아낸다. 
천문학자들이 허블우주망원경으로 동원 가능한 모든 파장의 사진 촬영을 통해 이와 같은 격렬한 활동을 보이는 지근거리의 두 개 행성상성운을 분석하였다. 
그 중의 하나인 NGC 6302는 마치 두 날개를 활짝 펼친 모습을 닮아 나비성운이라 불리는 성운이다. 
나머지 하나인 NGC 7027은 금속성 느낌을 주는 다채로운 색깔의 껍데기로 인해 일명 보석벌레라 불리는 큰광대노린재를 닮은 성운이다. 
과학자들은 이번 사진을 통해 이 행성상성운들의 복잡성을 유례없는 수준으로 분석할 수 있었으며 중앙에 있는 별로부터 몰아쳐나오는 제트와 가스 거품의 빠른 변화 양상을 포착해낼 수 있었다. 
이를 통해 과학자들은 이 대파국의 기저를 이루고 있는 역학관계를 이해하는데 집중할 수 있었다. 

이번 연구를 이끈 로체스터공과대학교(Rochester Institute of Technology), 조엘 캐스트너( Joel Kastner)의 소감은 다음과 같다.
"제가 허블 아카이브 데이터를 살펴보며, WFC3 전 파장에서 이 성운들을 관측해본 사람이 아무도 없다는 사실을 알았을 때 기가 막힐 정도로 놀랐습니다. 

이번에 여러 파장으로 진행된 관측은 이 두 개 멋진 행성상성운에 대해 가장 포괄적인 모습을 제공해 주었습니다. 

이번 결과를 받아들었을 때 저는 사탕 가게에 있는 아이마냥 기뻤답니다." 

이 두 개 성운을 근자외선에서 근적외선에 이르는 허블우주망원경의 관측 가능한 모든 전자기파장에서 관측함으로써 연구팀은 여러 차례 새로운 것을 알아내는 순간을 경험할 수 있었다. 
특히 이번에 발표된 새로운 사진들은 이 두 개 성운들이 상당히 짧은 시간동안 어떻게 찢겨져 왔는지를 매우 생생하게 보여주었다. 
이를 통해 천문학자들은 지난 20여 년 동안 이 성운들의 모습이 어떻게 바뀌어왔는지를 알 수 있게 되었다. 
이러한 급격한 변화의 일부 측면은 충돌하는 별에 대한 간접적인 증거도 될 수 있다. 

캐스트너의 설명은 다음과 같다.
"NGC 7027은 여러 파장에서 어마어마하게 많은 수의 복사가 나타나고 있습니다. 
각각의 파장은 이 성운에 있는 특정 화학원소뿐 아니라 전체 구조에서 지속적으로 발생하는 현저한 변화도 보여주고 있습니다."
 
연구팀은 또한 NGC 7027 과 대조되는 천체로서 나비성운도 관측했다. 
두 성운 모두 대단히 많은 먼지를 뿜어내고 있는 행성상성운이며 생겨난지 얼마 되지 않다보니 어마어마하게 많은 질량의 가스를 품고 있는 성운들이기도 하다. 
과학자들은 이러한 특징이 이 두 개 성운을 함께 연구하게 된 이유라고 말했다. 
허블우주망원경이 각 성운을 바라본 광대역 다파장 장면들은 과학자들로 하여금 이들이 뿜어낸 충격파의 역사를 추적해 올라갈 수 있게 해 주었다. 
일반적으로 충격파는 이제 막 뿜어져나온 빠른 별폭풍이 비교적 최근에 별로부터 뿜어져나와 비교적 천천히 팽창하고 있는 가스와 먼지를 추돌할 때 발생하며 이로부터 경계선이 또렷한 거품 모양의 동공부들이 만들어진다. 
과학자들은 양 성운의 중심부에 상호공전하고 있는 두 개의 별이 있거나 있었을 것으로 추론하고 있다. 
중심에 상호공전하는 이중별이 있을 거라는 추정은 두 성운의 독특한 외양때문에 생겨났다. 
각 성운은 꼭꼭 말려 있는 먼지 가득한 허리 부분과 바깥으로 쏟아져나오는 폭풍 또는 극성 구체를 가지고 있으며 또다른 특성들, 즉, 대단히 복잡한 대칭성 패턴도 가지고 있다. 
행성상성운에서 이와 같은 구조들에 대한 선구적인 이론은 이중별계에서 하나의 별이 질량을 잃으면서 발생하는 것으로 추정하고 있다. 
두 개의 별이 상호공전하면서 상호작용이 일어날만큼 충분히 가까운 거리로 접근하게 되면 하나의 별 또는 두 개 별 모두의 주변에 가스 원반이 만들어진다. 

이 원반은 중심별에서 서로 반대 방향으로 물질들이 몰아쳐나가는 근원이 된다. 
또는 이중별 중 하나가 빠르게 진화하면서 몸집이 부풀어 오르고 이 와중에 체구가 작은 별이 부풀어 오른 별과 합쳐질 수도 있다. 

이러한 과정 역시 지속적으로 전체 시스템을 뒤흔들며 몰아쳐나오는 제트 폭풍을 만들어낼 수 있다. 
이러한 과정은 대칭을 띤 패턴을 만들어내고  아마도 NGC 6302에 '나비'라는 이름을 달게 만든 모습을 만들었을 것이다. 
이렇게 뿜어져나오는 폭풍은 행성상성운에서는 일반적으로 목격되는 현상이다. 

연구팀의 일원인 워싱턴 대학 브루스 발릭(Bruce Balick)의 설명은 다음과 같다. 
"NGC 6302와 NGC 7027의 짝꿍별들은 추정만 될 뿐 직접적으로 관측된 것이 아닙니다. 

이들은 이미 으뜸별인 훨씬 거대한 적색거성에 먹혀버렸을 수도 있죠. 

별들의 충돌 가설은 왕성한 활동을 보여주는 대칭성 행성상성운의 외양적 특성을 가장 간단하게 설명해 줄 수 있는 최상의 가설입니다.

아직까지는 대체 가설이 없는 가장 강력한 통일가설이죠."
 

 

CREDITS: NASA, ESA, and J. Kastner (RIT)
최근 허블우주망원경을 이용하여 NGC 6302를 다시 관측하였다.  
이번에는 근자외선에서 근적외선에 이르는, 허블우주망원경으로 관측 가능한 모든 파장에서 관측이 진행되었다.  
과학자들은 이를 통해 가스가 만들어낸 이 날개에 작용한 역학을 보다 더 이해할 수 있게 되었다.  
이번 관측을 통해 근적외선에서 +1가이온화 철 복사가 만드는 새로운 패턴을 알아낼 수 있었는데 이 패턴이 사진 왼쪽 하단에서 우측 상단으로 S자 모양을 그리며 퍼져 있다.  
이 철 복사는 중심 별이 최근 분출해 낸 가스의 흔적을 보여주는 것 같다.  
이 분출 가스는 이전에 분출된 물질들보다 훨씬 더 빠르게 움직이고 있다.  
중앙에 위치한 별, 또는 여러 개의 별이 이 성운의 외양과 관련이 있다.  
별이 최후를 마치는 시나리오에 따라 이 별들은 지난 2천여 년동안 자신의 가스층을 주기적으로 우주공간으로 쏟아내고 있다.  
NGC 6302의 날개들은 섭씨 2만 도로 들끓는 가스들이 몰려있는 지역으로서 시속 96만 킬로미터의 속도로 우주 공간으로 퍼져 나가고 있다.  
NGC 6302는 전갈자리 방향으로 2,500 광년에서 3,800 광년 사이에 위치하고 있다.

 

넓게 회전하는 스프링쿨러가 내던져져 두 개의 S자형 물줄기를 뿜어낸다고 생각해 보라. 
처음에는 혼란스러워 보이겠지만 잠시 더 바라보다보면 어떤 패턴을 읽을 수 있을 것이다. 
이와 동일한 S자 형태가 나비성운의 외양을 보여준다. 
그저 이 경우 그 재료는 공기 중에 뿌려지는 물이 아니라 빠른 속도로 쓸려나가는 가스일 뿐이다. 
여기서 S자 형태는 전자 하나를 잃은 +1가 이온화 철을 근적외선으로 촬영했을 때만 보이는 형태이다. 
캐스트너는 철 복사에서 S자 형태가 보인다는 것은 정말 놀라운 일이었다고 말했다.  
이 S자 형태는 중심지역에서 가장 최근에 발생한 분출을 직접적으로 추적하는 단서가 된다. 
이것은 NGC 6302 내부의 특정 지역에서 발생한 충돌이 특별히 강력했음을 말해주기 때문이다. 

 

발릭의 설명은 다음과 같다.
"철 복사는 별로부터 쏟아져나온 천천히 움직이는 폭풍과 빠르게 움직이는 폭풍 간의 고에너지 충돌을 추적할 수 있는 매우 감도높은 지표입니다.

철 복사는 대개 초신성 잔해나 활성은하핵, 갓 태어난 별의 제트폭풍에서 관측됩니다. 

행성상성운에서는 잘 보이지 않는 현상이죠."

캐스트너의 설명은 다음과 같다.
"철 복사가 중심에서 벗어나 서로 반대되는 방향을 따라 보인다는 사실은 빠른 폭풍을 만들어내는 원천이 지속적으로 흔들리고 있다는 점을 암시하고 있습니다. 

이는 폭풍을 만들어내는 원반과 이중별계가 있음을 말해주는 또다른 증거가 됩니다."

 

CREDITS: NASA, ESA, and J. Kastner (RIT)
최근 허블우주망원경의 근자외선관측을 통해 NGC 7027의 중심별이 새롭게 식별되었다.   
근자외선 파장은 얼마나 많은 먼지가 이 별을 가리고 있으며 이 별이 실제로 얼마나 뜨거운 별인지를 알 수 있게 도외준다.
다채로운 색깔을 가진 큰광대노린재를 닮은 이 천체사진은 가스와 먼지로 뿌옇게 보이는 지역을 보여주고 있다.  
이 가스와 먼지는 서로 가깝게 도는 이중별들로부터 뿜어져 나왔을 것으로 추정된다. 
이 이중별들은 수천 년 동안 천천히 물질을 벗어버렸고 좀더 파괴적인 단계로 진입하면서 특정 방향으로 편중된 물질 분출을 만들어내고 있다.  
허블우주망원경이 이 행성상성운을 처음으로 관측한 것은 1998년이었다.  
과학자들은 당시와 지금의 관측 자료를 비교하면서 이 기간동안 이 천체의 외양변화를 추가로 연구할 수 있는 기회를 맞고 있다.  
행성상성운은 껍질을 벗어버리며 죽어가는 별에 의해 만들어진 팽창하는 가스덩어리 천체이다.  
새로 뿜어져나온 물질들이 예전에 뿜어져나온 물질들을 추돌하면서 고에너지 충돌을 야기하고 이로부터 성운의 모양이 형성된다.  
이와 같은 일련의 폭발을 이끄는 기저 메커니즘은 아직 충분히 이해되지 못하고 있다.  
과학자들은 중심지역에 이중별이 있고 이 이중별 중 하나가 죽어가면서 이와 같은 행성상성운을 만드는 중요한 역할을 수행하는 것으로 추정하고 있다.  
NGC 7027은 백조자리 방향으로 약 3,000 광년 거리에 위치하고 있다.

 

행성상성운 NGC 7027은 자신의 물질들을 천천히 그리고 조용히 뿜어내며  비교적 최근까지 수 세기 동안 구형 대칭 또는 나선형 패턴을 만들고 있는 천체이다. 

 

캐스트너의 설명은 다음과 같다.
"몇몇 측면에서 이 성운에 나타나고 있는 변화들은 나비성운보다 훨씬 더 드라마틱합니다. 
중심지역은 최근 엉망이 되었고, 클로버잎 모양의 패턴이 만들어지는가 하면  물질들이 마치 총알처럼 특정 방향으로 튀어나가고 있습니다."
 
NGC 7027을 촬영한 이 새로운 사진은 캐스트너의 초기 연구의 일환으로 2000년과 2014년 찬드라X선망원경으로 진행한 관측자료와 거의 비슷한 +1가 철이온으로부터 뿜어져나온 복사를 보여주었다. 
당시 철복사는 남동쪽에서 북서쪽으로 향하는 기류를 보여주었는데 바로 이곳에서 X선 충격파도 감지되었던 것이다. 
하바드스미스소니언 천체물리학센터 몬테즈 주니어(Rodolfo Montez Jr)는 이 성운이 적색거성이 갑작스럽게 짝꿍별을 집어삼킬 때 발생하는 모습을 보여주는 최상의 예일 것이라는 느낌을 받았다고 말했다. 

 

연구팀의 논문은 "이제 막 태어나 빠르게 진화하고 있는 행성상성운 NGC 7027과 NGC 6302를 HST.WFC3의 모든 파장으로 촬영한 첫 번째 결과(First Results from a Panchromatic HST/WFC3 Imaging Study of the Young, Rapidly Evolving Planetary Nebulae NGC 7027 and NGC 6302)"라는 제목으로 2020년 6월 15일 갤럭시스 저널(the journal Galaxies)에 개재되었다. 

출처 : 허블사이트 2020년 6월 18일 발표 뉴스

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-31?news=true

 

참고 : NGC 6302와 NGC 7027을 비롯한 다양한 성운에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
        https://big-crunch.tistory.com/12346974