이중별의 공전궤도면과 원시행성원반의 정렬 관계

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. Czekala and G. Kennedy; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
이 사진은 ALMA에 의해 관측된 것으로 이중별 주위에 형성된 원시행성원반 두 개의 정렬양상을 보여주고 있다. 
좀더 명확한 이해를 위해 이중별의 공전궤도가 표시되어 있다. 
왼쪽 : HD 98800 B계를 촬영한 것으로 먼지 원반은 이중별의 상호공전궤도와 어긋나 있다. 
이 이중별들은 315일 주기로 서로를 공전하고 있다. 
오른쪽 : 전갈자리 AK계를 담은 이 사진에서 원반은 이중별의 공전궤도와 같은 궤도면을 가지고 있다. 
이 이중별은 13.6일을 주기로 상호 공전하고 있다.

 

천문학자들이 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)를 이용하여 이중별 주위에 형성되는 원시행성원반의 독특한 기하학적 특징을 발견했다. 
원시행성원반은 서로 바짝 붙어 있는 이중별계에서는 동일하게 정렬한 궤도면을 갖는데 반해 넓은 간격을 유지하고 있는 이중별계에서는 많이 기울어진 공전궤도면을 가지는 것으로 나타났다. 
이러한 일련의 시스템들은 복잡한 환경에서의 행성 형성에 관한 정보를 우리에게 알려준다. 

최근 20여 년 동안 수천 개의 외계행성이 발견되었다. 
이 외계행성들 중 어떤 것들은 스타워즈에 등장하는 루크 스카이워커의 고향행성 테투인(Tatooine)처럼 이중별 주위를 공전하고 있다. 
오늘날에는 ALMA덕분에 원시행성원반에 대한 멋진 관측들이 진행되고 있다. 
행성은 원시행성원반에서 탄생한다.  그런데 지금까지 연구되고 있는 많은 원시행성원반들은 주로 홀로 있는 별들 주위에 형성된 원반들이다. 

하지만 영화 스타워즈에 등장하는 행성 테투인은 이중별 주위를 도는 원반, 이른바, 이중별둘레원반(circumbinary disk)에서 생성되었다. 테투인과 같은 행성의 탄생 환경 연구는 우리와는 다른 환경에서 어떻게 행성이 만들어지는지를 알 수 있는 독보적인 기회를 제공해준다. 
천문학자들은 이미 이중별의 공전 궤도가 그 주위를 둘러싸고 있는 원반을 구부리거나 기울게 만들 수 있고, 그 결과 이중별둘레원반은 자신의 별이 형성하고 있는 공전궤도면과는 어긋난 궤도면을 가지게 된다는 것을 알고 있다. 
예를 들어 워릭대학교의 그랜트 케네디(Grant Kennedy)가 이끈 2019년의 연구에서는 ALMA를 이용하여 극성을 지닌 독특한 이중별둘레원반을 발견한 적도 있다. 

이번에 버클리 캘리포니아대학의 천문학자 얀 체칼라(Ian Czekala)는  이중별둘레원반의 일반적인 기하학적 특성에 대해 더 많은 것을 알기 위해 연구를 진행하게 됐다고 말했다. 
체칼라와 그의 연구팀은 이중별 주위에 형성된 원시행성원반 19개를 대상으로 기울기를 측정하기 위해 ALMA 관측 데이터를 활용하였다. 체칼라는 대단히 작고 희미한 이중별둘레원반을 연구하기 위해서는 ALMA의 고분해 관측성능이 필수적이었다고 말했다. 

천문학자들은 ALMA를 통해 획득한 이중별둘레원반의 데이터를 케플러우주망원경으로 이중별에서 발견한 12개의 테투인과 같은 행성 데이터와 비교하였다. 
그리고 놀랍게도 이중별 및 이중별둘레원반의 정렬이 어긋나있는 정도가 이중별의 상호공전 주기와 강력한 연관관계가 있다는 것을 알게 되었다. 
이중별의 상호공전주기가 짧으면 짧을수록 원반은 이중별의 상호공전궤도면과 동일한 방향으로 정렬해 있는 경우가 더 많았다. 반면 이 공전 궤도가 한 달 이상을 넘어 점점 길어질수록 원반의 정렬각도는 어긋나 있었다. 
체칼라는 바짝 붙어 있는 이중별 주위를 공전하는 작은 원반들에서 명확하게 중첩되어 있는 부분을 볼 수 있었고 케플러우주망원경이 발견한 이중별둘레의 행성은 이런 곳에서 발견되었다고 말했다. 
케플러우주망원경의 첫 번째 임무는 4년동안 진행되었는데 당시 천문학자들은 상호공전주기가 40일 이하인 이중별 주위에서만 행성을 발견할 수 있었다. 
또한 이 행성들은 자신의 별들이 가지는 공전궤도면과 동일한 공전궤도면을 형성하고 있었다. 
여전히 남아 있는 수수께끼는 케플러우주망원경으로는 탐사가 어려웠던 각도로 어긋나 있는 행성이 과연 얼마나 있었을까 하는 점이다. 
체칼라는 이번 연구에 따르면 공전궤도면이 어긋나 있어 케플러우주망원경이 포착하지 못한 행성은 많지 않을 것이라고 말했다.  이번 연구를 통해 서로 바짝 붙어 있는 이중별의 둘레 원반은 별들의 상호공전궤도와 동일한 공전궤도면을 형성하고 있었기 때문이다. 
이러한 발견을 기반으로 천문학자들은 간격을 넓게 벌리고 있는 이중별에서는 공전궤도면이 어긋나 있는 행성들이 반드시 있을 것이고 이러한 외계행성들은 직접촬영이나 마이크로렌즈 활용과 같은 또다른 외계행성탐사기법을 통해 찾아낼 수 있을 것이라고 생각하고 있다. 
(참고로 케플러우주망원경은 외계행성탐사기법 중 하나인 통과관측을 통해 외계행성을 포착하였다.)

 

체칼라는 이중별의 상호공전주기와 이중별둘레원반의 정렬양상에 왜 이처럼 강력한 연관관계가 있는지는 여전히 수수께끼로 남아 있다고 말했다. 
체칼라의 소감은 다음과 같다. 
"저와 연구팀은 ALMA 또는 차세대 거대배열망원경과 같은 현재 및 향후의 관측 설비들을 이용하여 매우 정확한 수준으로 이 원반의 구조를 연구하기를 희망합니다. 
이를 통해 구부러지고 기울어진 원반이 어떻게 행성 형성에 영향을 미치는지 또한 이것이 원반 내에서 얼마나 많은 수의 행성을 만들어내는데 영향을 미치는지를 알고 싶습니다."

미국국립과학재단의 NRAO 및 ALMA 프로그램관리자인 조 페시(Joe Pesce)는 이번 연구야말로 이전의 관측 성과에서 새로운 발견을 이끌어 내는 최상의 예라고 평가하며 이중별둘레원반에서 모종의 추이를 발견해 낸 것은 ALMA를 이용하여 진행된 관측 및 연구자료를 체계적으로 축적해 놓았기 때문에 가능했다고 말했다. 

출처 : 미국국립전파천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2020년 3월 19일자 

        https://public.nrao.edu/news/the-strange-orbits-of-tatooine-planetary-disks/

The Strange Orbits of ‘Tatooine’ Planetary Disks - National Radio Astronomy Observatory