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천문우주과학소식

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원시 행성계 원반에서 다중 링 갭 구조 발견

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-06-19
  • 조회수 : 1728
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국립 천문대를 중심으로 하는 SEEDS 프로젝트 (주 1) 국제 공동 연구팀은 스바루 망원경을 이용한 관측을 통해 "바다뱀 자리 TW 별"이라는 젊은 별의 주위에 있는 원시 행성계 원반을 지금까지 가장 상세히 나타내는 것에 성공했다. 관측 결과, 이 별의 원시 행성계 원반에서의 반경 약 20 천문단위(태양에서 천왕성까지의 거리에 상당, 주 2)의 위치에 고리 모양의 갭 구조를 발견했다(그림 1 오른쪽). 허블 우주 망원경이 과거에, 반경 80 천문단위의 위치에 링 갭 구조를 보고하고 있지만, 이번 발견을 통해 훨씬 안쪽에도 비슷한 구조가 존재하고 있는 것이 밝혀졌다. 행성에 관한 다른 징후도 고려하면, 이 천체는 우리 태양계처럼 여러 개의 행성이 탄생하고 있어, 태양계 탄생의 모습을 비추고 있는 것으로 생각된다.

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그림 1 : 바다뱀 자리 TW 별의 주위에 존재하는 먼지 원반. 왼쪽은 2013년 허블 우주 망원경으로 관측한 이미지. 중심에서 80 천문단위의 위치에 링 모양으로 어둡게 되어 있는 갭(격차) 구조가 발견되어 있었다. 오른쪽 그림은 이번 스바루 망원경으로 관측한 이미지. 점선은 중심에서 80 천문단위 거리를 나타내고 있다. 스바루 망원경을 이용한 이번의 관측을 통해, 약 20 천문단위의 위치에 링 모양으로 희미하게 어둡게 되어 있는 갭(격차) 구조가 발견되었다. 중앙의 검은 원은 밝은 중심별을 숨기는 마스크로 그 크기는 반경 약 11 천문단위이다. (제공:국립 천문대)

중심별 근방 영역의 영상에의 도전

행성은 수소와 헬륨을 주성분으로 하는 가스와 먼지로 이루어진 원반 모양의 구조 "원시 행성계 원반" 에서 형성될 것으로 생각되고 있다. 태양계에서 태양에서 가장 먼 행성은 해왕성이며, 그 거리는 약 30 천문단위이다. 지금까지의 원시 행성계 원반의 관측에서는 해왕성보다 먼 것에 해당하는 영역이 주로 관측되어 왔다. 그러나 우리의 태양계를 포함한 행성계의 성립과정을 이해하기 위해서는, 중심별 바로 근처의 관측이 필수적이다.
 
최근, 지구 대기의 요동에 의한 화상의 왜곡을 보정하는 보상 광학 장비와 최첨단의 고 콘트라스트 카메라(HiCIAO)가 탑재된 스바루 망원경에 의해, 중심별에 아주 가까이까지 정밀한 관측이 가능하게 되었다. 이번, 뛰어난 성능을 가진 스바루 망원경의 관측 장비를 사용함과 동시에, 관측 방법과 데이터를 엄선하는 것으로, 허블 우주 망원경의 관측보다 더 중심별에 가까운 영역이 관측 가능하게 된 것이다. 이것은 행성계의 성립과정을 해명하는데 매우 중요한 것이다.

바다뱀 자리 TW 별의 다중 링 갭 구조

바다뱀 자리 TW 별은 태양의 약 절반의 질량을 가지며 약 180 광년 거리에 위치한 나이가 1000만 년 정도의 젊은 별이다. 이렇게 젊은 별은 태양에 가장 가까이 그 모습을 상세하게 조사하는데 적합한 천체이다. 따라서 지금까지 다양한 관측을 실행하여 왔다. 2013년 허블 우주 망원경에 의한 근적외선 관측은 링 모양의 격차 구조가 중심별에서 약 80 천문단위 거리의 곳에서 발견되었다(그림 1 왼쪽). 또한 가시광선에서 중간 적외선의 관측에서 얻어진 스펙트럼 에너지 분포(주 3)에서는, 원반의 중심부에 크기가 4 천문단위의 작은 원반이 존재하는 것도 시사되고 있다. 후자는, 현재의 기술로는 직접 나타낼 수 없을 정도로 작은 구조이다.

이번, 약 30개의 대학 및 연구 기관으로 구성된 국제 공동 연구팀은 바다뱀 자리 TW 별 주위에 있는 원시 행성계 원반의 미세한 먼지를 스바루 망원경 HiCIAO를 사용하여 근적외선 (파장 1.6 마이크로 미터)에서 관측했다. 그 결과, 반경 약 20 천문단위의 위치에서 새롭게 링 모양의 갭 구조를 발견했다(그림 1 오른쪽). 이번에 발견된 링 모양의 갭 구조는 별의 중심에서 볼 때 태양과 천왕성까지의 거리에 해당하는 장소에 위치하고 있다. 허블 우주 망원경으로 발견된 80 천문단위의 링 모양의 갭 구조와 함께 생각하면, 같은 원반에 2 개의 고리 모양의 격차 구조가 촬영된 것이다. "이번 관측에서 2개의 링 모양의 격차 구조가 직접 확인된 결과, 바다뱀 자리 TW 별의 원반은 중심별에서 몇 가지 다른 거리에 동시에 여러 개의 행성이 형성되어 있다고 생각된다. 또한 행성이라고 할 수 없는 것까지도, 결국 행성의 기반재료가 되는 먼지가 크게 성장하고 있는 단계라고도 생각된다"고 논문의 대표 저자인 국립 천문대의 아키야마 에이지(秋山永治) 씨는 지적한다 .

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그림 2 : 바다뱀 자리 TW 별의 주위에 존재하는 먼지 원반의 상상도. (제공:국립 천문대)

행성계 탄생의 수수께끼에 다다가다 ~ 태양계의 과거 모습 ~

1995년에 처음 항성의 주위에 계(태양계) 외행성이 발견된 이래, 유력한 후보도 넣으면 5000를 넘는 계 외행성이 보고되고 있다(2015년 4월 현재). 그 중에는, 주성의 주위에 여러 개의 행성이 존재하는 태양계와 같은 행성계를 구성하고 있는 천체도 존재한다. 바다뱀 자리 TW 별의 관측에서 발견된 여러 개의 고리 모양의 갭 구조는, 이 별의 젊은 나이를 고려하면 행성계를 형성하는 도중의 단계라고 추측되어, 우리의 태양계도 옛날에는 닮은 것 같은 모습을 하고 있었다고 추측된다. 또한 원시 행성에 따른 반지 모양의 격차 구조가 형성되는 이론 예상도 있다. 이번 관측 성과는 행성계의 탄생의 수수께끼에 다가가는데 있어 중요한 것으로 되었다.

향후 전망

스바루 망원경의 관측은, 원시 행성계 원반의 표면에 존재하는 작은 먼지의 분포를 분명하게 했다. 또한 이번 관측 결과에서 갭(격차) 내에서 먼지가 크게 성장하고 있을 가능성도 생각할 수 있다. 행성 탄생​​의 수수께끼에 다가가는 것은, 원반 내부를 관찰하여 행성의 성장을 조사하는 열쇠가 되는 큰 먼지의 분포를 명확히 하는 것이 중요하다. 예를 들어 전파로 관측을 하는 알마 망원경으로는 바다뱀 자리 TW 별보다 젊은 다른 별(황소 자리 HL 별)을 둘러싼 다중 링 구조의 촬영에 성공하고, 원반 내부에 있는 큰 먼지의 분포를 분명하게 하고 있다(주 4). 또한 전파는 목성과 같은 가스 행성과 지구 대기의 재료가 되는 가스도 관측할 수 있다. "전파 관측과 스바루 망원경의 데이터를 조합하여 원반의 3차원 구조를 밝히고, 행성의 형성 메커니즘의 해명을 목표로 한다"고 연구팀은 분발하고 있다.이 결과는 SEEDS 프로젝트의 공동 연구자인 아키야마 에이지(秋山永治) 씨 외 56명의 공동 저자들에 의해, 미국의 천문학 잡지 "아스트로 피지컬 저널 레터스"의 2015년 4월 1일 호 (802 호)에 출판되었다. 또한 본 연구는 과학 연구비 보조금의 특별 추진 연구 (22000005)에 의한 조성을 받고 있다.

(주 1) SEEDS (Strategic Exploration of Exoplanets and Disks with Subaru Telescope; 스바루 망원경에 의한 전략적 행성 원반 탐사) 프로젝트는 스바루 망원경을 이용한 행성 탐사의 대규모 관측 프로젝트이다. SEEDS 프로젝트는 국립 천문대/도쿄 대학의 田村元秀 교수를 중심으로 2009년부터 약 5년 동안 별의 주위의 구조와 시스템 계 외행성에 관한 많은 발견을 해왔다. 대표적인 것으로서, 마부 자리 AB 별과 SAO 206462 별에서 볼 수 있는 소용돌이 팔 구조, 릭 칼슘 15 별과 PDS 70 별에서 볼 수 있는 큰 구멍 구조 등이 있다.

(주 2) 천문단위(AU)는 약 1억 5000만 킬로미터로, 태양과 지구 사이의 평균 거리에 해당한다.

(주 3) 스펙트럼 에너지 분포는 횡축(가로축)을 파장, 종축(세로축)을 천체의 밝기로 한, 그래프이다. 파장은 빛을 발하는 물체의 온도와 관계가 있다. 중심별에서 멀수록 온도가 낮아지는 것을 생각하면, 그래프에서 중심별의 위치와 밝기의 관계를 알 수 있어, 이미지에서는 아직 파악할 수 없는 중심별 근방의 상태를 추측할 수 있다.

(주 4) 알마 망원경은 남미 칠레에 있는, 전파 간섭계라 불리는 망원경이다. 여러개의 전파 망원경을 하나의 망원경으로 이용하기 때문에, 단일 망원경에 비해, 고해상도 및 고감도로 천체를 관측하는 것이 가능하다. 큰 먼지를 보는 것이 가능한 전파로 황소자리 HL 별에 동반하는 원시 행성계 원반을 관찰한 결과, 다중 링 구조가 발견되었다.

 


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