2MASS J10475385+2124234 : 갈색왜성의 풍속 측정

Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

그림 1> 갈색왜성 및 갈색왜성의 자기장에 대한 상상화. 
자기장은 천체 내부 깊은 곳에 그 근원을 두고 있어 대기 상층부와는 다른 속도로 회전한다. 
천문학자들은 이러한 차이를 이용하여 대상 천체의 풍속을 측정할 수 있었다.

 

천문학자들이 미국국립과학재단의 칼잰스키극대배열전파망원경(Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)과 NASA의 스피처우주망원경을 이용하여 갈색왜성에 불고 있는 바람의 속도를 처음으로 측정해냈다. 
갈색왜성은 행성과 별의 중간 질량을 가진 천체를 말한다. 

 

버크넬 대학 케이틀린 알러스(Katelyn Allers)가 이끄는 연구팀은 우리 태양계의 두 개 거대 행성인 목성과 토성에 대한 지식을 바탕으로 VLA의 전파관측 데이터와 스피처우주망원경의 적외선 관측 데이터를 함께 이용하면 갈색왜성에서의 풍속을 측정할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 
알러스는 이 사실을 알아차렸을 때, 이러한 시도를 아무도 해 보지 않았다는 사실에 놀랐다고 말했다. 

 

이들은 2MASS J10475385+2124234라는 이름의 갈색 왜성을 연구하였다. 
지구로부터 약 34광년 거리에 위치하고 있는 이 갈색왜성은 크기는 목성과 비슷하지만 질량은 목성의 약 40배이다. 
때때로 '실패한 별'로 불리기도 하는 갈색 왜성은 행성보다는 훨씬 무겁지만 중심에서 열핵반응을 일으켜 에너지를 공급받기에 충분한 질량을 갖추지는 못한 별이다. 
알러스는 전파를 이용하여 측정한 목성의 자전 주기가 가시광선이나 적외선을 이용하여 측정한 자전주기와 다르다는 사실에 주목했다고 말했다. 
알러스의 설명에 따르면 이러한 차이가 나타나는 원인은 다음과 같다.
우선 전파 복사는 행성의 내부 깊숙한 곳에 그 근원을 두고 있는 행성 자기장과의 전자 상호작용으로 발생한다. 
하지만 적외선 복사는 상층 대기에서 발생한다. 
대기의 자전 속도는 행성 내부보다 훨씬 더 빠르다. 이와 같은 속도의 차이는 대기상에 부는 바람 때문에 발생한다. 

 

 

 

Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
동영상> 자기장과 대기상층부의 속도 차이를 이용한 풍속 측정 시뮬레이션

 

미국자연사박물관의 조한나 보스(Johanna Vos)는 이와 동일한 작용이 갈색왜성에서도 작용할 것으로 판단하여  전파와 적외선 망원경들을 이용하여 갈색왜성에서의 풍속 측정을 결정했다고 말했다. 
이들은 스피처우주망원경을 이용하여 2017년과 2018년 2MASS J10475385+2124234를 관측하였으며 적외선 밝기가 주기적으로 변화하고 있음을 알게 되었다.

이는 이 갈색왜성의 상층 대기에 뭔가 오랫동안 지속되고 있는 구조의 회전과 연관이 있을 것으로 여겨졌다. 

 

연구팀은 2018년 VLA를 이용한 관측을 진행하여 이 갈색왜성의 내부 자전 주기를 측정했다. 
이들은 이 갈색왜성 역시 목성과 마찬가지로 대기가 갈색왜성 내부보다 더 빨리 회전하고 있음을 알게 되었다. 
그리고 이로부터 이 갈색왜성에 부는 바람의 속도가 시속 2,280킬로미터라고 계산해냈다. 
목성에서의 풍속이 시속 368킬로미터임을 감안했을 때 이는 어마어마하게 빠른 속도이다. 

알러스는 이론과 시뮬레이션을 통해 갈색왜성에서의 풍속이 훨씬 더 빠를 것이라고 예측되었는데 이번 측정 결과는 이에 딱 맞아떨어지는 결과라고 말했다. 
천문학자들은 이러한 기술이 갈색왜성 뿐만 아니라 외계행성에도 똑같이 적용될 수 있다고 말했다. 
하바드앤스미스소니언천체물리학센터 및 미국천문학회의 피터 윌리엄스(Peter Williams)는 거대 외계행성의 자기장은 갈색왜성보다 훨씬 약하기 때문에 전파 복사를 측정하기 위해서는 2MASS J10475385+2124234에 사용된 주파수보다 훨씬 더 낮은 주파수를 사용해야 할 것이라고 말했다. 

 

알러스는 이번에 자신의 연구팀이 사용한 방법을 이용하면 갈색왜성과 외계행성의 대기 역학을 보다 제대로 알 수 있을 거라고 말했다.  
알러스와 보스, 윌리엄스 및 에든버러 대학교의 베스 빌러(Beth Biller)는 이번 연구결과를 사이언스 저널(the journal Science)을 통해 발표했다. 

출처 : 미국국립전파천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2020년 4월 9일자

        https://public.nrao.edu/news/brown-dwarf-wind-speed/ 

 

참고 : 2MASS J10475385+2124234를 비롯한 각종 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
        https://big-crunch.tistory.com/12346972