백색왜성 LAWD 37 질량측정 : 미세중력렌즈를 이용한 별 질량 측정

Credit: NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and University of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

 

사진 1> 허블우주망원경으로 촬영한 백색왜성 LAWD 37의 모습
             비록 핵융합은 멈췄지만 내부에 갇힌 열로 인해 표면 온도는 약 10만 도에 이르며

            이 열로 인해 빛다발을 쏟아내고 있다.  

단독으로 존재하는 백색왜성의 질량을 사상 처음으로 측정해 내다.

 

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 홀로 외따로 존재하는 백색왜성의 질량을 직접 측정해 냈다. 
단독으로 존재하는 백색왜성의 질량 측정을 직접적으로 측정해낸 것은 이번이 처음이다. 

 

백색왜성이란 우리 태양과 같은 별이 연료를 모두 소진한후 남은 핵을 말한다. 

 

이번 연구를 통해 천문학자들은 백색왜성의 질량이 우리 태양 질량의 56% 수준이라는 점을 밝혀냈다. 
이번 결과는 앞서 예견된 이론적 예측치와 일치하는 결과이며 
"대개의 별이 진화의 마지막 단계로 맞게 되는 백색왜성"이라는 현재의 이론을 확증해주는 결과이기도 하다. 

이번에 수행된 독보적 관측은 백색왜성의 구조와 조성에 대한 이론들에 통찰을 제공해주기도 한다. 

지금까지 예측된 백색왜성의 질량 측정치는 이중별계에 존재하는 백색왜성 관측자료로부터 긁어모은 것이다. 
즉, 상호 공전하는 두 개 별의 움직임을 관측하고 뉴턴 물리학을 이용하여 두 개 별의 질량을 측정하는 것이다. 
하지만 백색왜성의 짝꿍별이 수백 년 또는 수천 년에 이르는 기나긴 공전궤도를 가지고 있는 경우 측정치는 정확하지 않을 수 있다. 

그런데 이번에 짝꿍별이 없는 백색왜성에 대해서 '미세중력렌즈(Gravitational Microlensing)' 현상을 이용하여 연구하였다. 
  
우리의 시선을 기준으로 머나먼 별에서 오는 별빛은 앞쪽에 있는 백색왜성의 중력이 구부려 놓은 시공간에 의해 미세하게 휘게 된다. 

 

Credit: NASA, ESA, A. Feild

그림 설명 > 이 그림은 앞쪽에 위치한 별의 중력이 구부러뜨린 공간에 의해

                   먼 별에서 출발한 빛이 휘어지는 양상을 보여주고 있다. 

                   중력렌즈(Gravitational Lensing)라 불리는 이 현상은 1세기 전,

                   아인슈타인이 일반상대성이론을 통해 예측한 현상이다. 

 

즉 백색왜성이 배경에 있는 어떤 별의 전면을 지나가게 되면 
미세중력렌즈효과에 의해 해당 별의 위치가 일순간 실제 위치에서 벗어나는 모습을 보이는 것이다. 

 

 

Credit:NASA, ESA, G. Bacon (STScI)

동영상> 중력렌즈에 의해 겉보기 위치 변화를 보이는 별의 모습

 

이번 연구결과는 왕립천문학회 월보(the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 개재되었다. 

영국 캠브리지 대학에 재직하다가 지금은 캘리포니아대학으로 자리를 옮긴 이번 논문의 주저자 피터 맥길(Peter McGill)은 
허블우주망원경을 이용하여 LAWD 37로 알려져 있는 백색왜성 주변에서 머나먼 별에서 출발한 빛이 휘어지는 양상과 그 결과 머나먼 별의 겉보기 위치가 바뀌는 현상을 정밀하게 측정하였다. 

허블우주망원경 수석연구원인 우주망원경과학연구소의 카일라쉬 사후(Kailash Sahu)가 처음 미세중력렌즈를 이용하여 관측을 시도했는데 때는 2017년으로 당시 그가 연구했던 것은 스타인 2051 B(Stein 2051 B)라는 백색왜성이었다. 
하지만 스타인 2051 B는 거리를 널찍히 벌리고 있는 이중별계의 왜성이었다. 
따라서 사후는 이번 관측에 대해  단독으로 존재하는 백색왜성의 관측으로 새로운 이정표가 될 수 있다고 평가하였다. 

이미 10억년 전에 모든 연료를 소진한 후 잔해만 남긴 LAWD 37은 파리자리 방향으로 고작 15광년 밖에 떨어져 있지 않기 때문에 다양한 연구의 대상이 되고 있다. 

맥길의 설명은 다음과 같다. 
"이 백색왜성은 상대적으로 가까운 거리 때문에 수많은 관측 데이터를 가지고 있습니다. 
 우리는 이 별의 스펙트럼 정보도 가지고 있죠. 하지만 이 별에 대해 빠진 정보가 있는데 그건 바로 질량이었습니다."

연구팀은 이 백색왜성에 집중하였고 ESA 가이아 미션(Gaia mission) 덕분에 거의 20억 개에 달하는 별들의 위치 정보도 활용할 수 있었다. 

 

수차례에 걸친 가이아 위성의 관측 데이터는 별의 움직임을 추적하는데 사용된다. 
이 데이터를 기반으로 천문학자들은 LAWD 37이 2019년 11월 어떤 별의 전면을 지나쳐 갈 것임을 알 수 있었다. 
이러한 사실이 알려지고 나서 허블우주망원경은 여러해 동안 백색왜성이 통과하는동안 뒤쪽에 있는 별의 겉보기 위치가 어떻게 바뀌는지를 정밀하게 측정하곤 했다. 

맥길의 설명은 다음과 같다. 
"이러한 사건은 매우 드문 사건이었고, 사건에서 나타나는 효과는 대단히 작아서 별의 위치 변화 정도는 지구에서 달 위에 놓인 차를 바라봤을 때의 길이 정도에 지나지 않았습니다."

뒤쪽에 있는 별에서 온 빛이 너무나 희미했기 때문에 
천문학자들이 맞닥드린 가장 큰 도전과제는 배경 별빛에 비해 무려 400배나 밝은 백색왜성의 빛을 데이터에서 제거하는 것이었다. 
가시광선 대역에서 이러한 극강의 대비를 관측할 수 있는 것은 허블우주망원경이 유일했다. 

캠브리지 대학 리 스미스(Leigh Smith)의 설명은 다음과 같다.
"100만분의 1에 해당하는 이벤트를 식별한다해도 이를 측정해 내는 것 역시 극단적인 난이도를 가지고 있었습니다.
 백색왜성의 빛다발은 예측치 못한 방향으로 빛줄기를 만들어낼 수 있죠. 
 이는 우리가 허블우주망원경의 관측 데이터를 분석하고, 각각의 영역의 정의할 때, 

 또한 사건을 모델화하여 LAWD 37의 질량을 평가하는 모든 과정을 매우 조심스럽게 진행해야 한다는 걸 의미했습니다."
 
맥길의 설명이 이어진다. 
"백색왜성이라는 죽은 별의 내부는 극단적인 조건을 가지고 있습니다. 
 고밀도로 묶여 있다보니 가스도 고체처럼 작용하죠.
 정교한 LAWD 37 질량 측정치는 우리로하여금 백색왜성의 크기와 질량간의 관계를 검증할 수 있게 해 줍니다. 
 이것은 축퇴이론을 검증할 수 있다는 의미죠."

과학자들은 이번 연구를 통해 가이아 데이터로 향후 발생할 사건 예측의 문을 열었다고 평가한다. 
천체들 간의 정렬 배치는 허블우주망원경은 물론, 제임스웹우주망원경으로도 포착할 수 있다. 
특히 제임스웹우주망원경은 적외선 대역의 관측을 수행하기 때문에 
백색왜성이 뿜어내는 푸른 빛은 희미해지고 배경에 있는 별의 희미한 별빛은 오히려 더 밝게 나타난다. 

이처럼 가이아 위성이 수집한 데이터가 제공해주는 예측치 덕분에
사후는 또다른 백색왜성인 LAWD 66을 제임스웹우주망원경으로 관측하였다. 

첫번째 관측은 2022년에 진행되었다. 
한 번 더 관측이 진행될 예정인데 그 관측은 미세중력렌즈 효과치가 최대치에 달했다가 사그라드는 2024년에 실행될 것이다. 

맥길의 설명은 다음과 같다. 
"가이아 위성의 관측 데이터는 게임을 바꾸는 역할을 하고 있습니다. 
 그 데이터로 앞으로 일어날 일을 예측하고 관측할 수 있게 되었기 때문입니다.
 우리는 앞으로 미세중력렌즈 효과를 이용하여 여러 유형의 별들에 대한 질량 측정을 계속할 수 있기를 희망합니다."
 
아인슈타인은 1915년, 일반상대성이론에서 무거운 질량체가 배경 별의 전면을 지나갈 때 
무거운 질량체의 중력장에 의해 공간이 휘면서 별빛이 휘어질 것이라고 예견한 바 있다. 
그리고 1919년, 영국에서 조직된 두 개의 원정팀이 남반구로 가서 5월 19일 발생한 개기일식동안 이 중력렌즈효과를 처음으로 측정했다. 
이는 중력이 공간을 구부린다는 일반상대성이론을 실험으로 검증한 첫번째 사례였다. 
하지만 이 효과를 측정하려면 대단히 정밀한 계측이 필요했기 때문에 아인슈타인은 태양계 바깥의 별들에 대해서는 이 효과를 측정할 수 없을거라 생각했었다. 

 

하지만 지금의 과학은 태양계 바깥의 별들에 대해서 이를 검증할 수 있는 수준이 되었다. 
맥길은 이번에 수행된 관측은 1919년 개기일식보다 무려 625배나 작은 대상에 대해 수행된 것이라고 말했다. 

Credit: NASA, ESA, P. McGill (Univ. of California, Santa Cruz and Univ. of Cambridge), K. Sahu (STScI), J. Depasquale (STScI)

그림 설명> 네모 표는 2019년 LAWD 37가 어떤 별 앞을 통과한 동선을 담고 있다. 
                   구불구불 이어지는 파란색 선은 지구에서 바라본 LAWD 37의 겉보기 경로이다. 
                   LAWD 37의 경로가 구불구불하게 나타난 것은 LAWD 37의 실제 움직임이 아니라

                   지구의 공전 때문에 나타난 시차를 상쇄시켰기 때문이다. 
                   LAWD 37까지의 거리는 15광년 밖에 되지 않아 배경에 있는 별보다 훨씬 빠르게 움직이는 것처럼 보인다. 


출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2023년 2월 2일 Science Release