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핼러윈 맞아 NASA가 선정한 올해의 무서운 천체 사진 2021-10-29

핼러윈 맞아 NASA가 선정한 올해의 무서운 천체 사진

- 천문연 김효선 박사 연구팀이 허블우주망원경으로 관측한‘악마의 눈


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사진1. 허블우주망원경센터에서 선정한 올해의 핼러윈 천체사진

중심의 적색거성 ‘CW 레오니스(IRC+10216)’의 빛이 성간운을 뚫고 나가는 모습이 이글거리는 악마의 눈처럼 보인다. ⓒ NASA/NASA Hubble Space Telescope, T. Ueta, H. Kim


■ 미국 항공우주청(NASA)과 유럽 우주국(ESA)이 공동 운영하는 허블우주망원경센터(NASA?ESA Hubble Space Telescope)는 이달 31일로 다가온 핼러윈 데이를 기념해 올해의 핼러윈 천체사진으로 적색거성의 빛이 성간운을 뚫는 모습을 포착한 사진을 선정했다. 이 사진은 한국천문연구원 김효선 박사가 주도한 국제공동 연구팀이 허블우주망원경으로 지구로부터 사자자리 쪽으로 약 400광년 떨어진 적색거성 ‘CW 레오니스(IRC+10216)’촬영 사진의 허블우주망원경센터 편집본이다.


□ 적색거성이 뿜어내는 강력한 항성풍은 별 주변에 두꺼운 방출물질층을 형성하는데 이 때문에 중심에 파묻힌 별 자체는 오히려 가시광선 영역에서는 보이지 않고 그 사이를 뚫고 나오는 별빛이 주변부와 상호작용하면서 신비로운 모습으로 나타난다. 이번 사진에 나타난 별의 중심부 껍질층은 악마의 노란 눈과 같고, 바깥 껍질층은 악마의 눈을 둘러싼 이글거리는 연기처럼 보인다. 


□ 이 사진이 눈길을 끄는 것은 악마의 눈으로 묘사된 별 중심부에서 주변 물질을 뚫고 나오는 빛줄기가 마치 ‘잭오랜턴(Jack-o’-lantern)’ 안의 촛불 빛이 껍질에 뚫린 눈과 입으로 빛줄기가 새어나오는 것과 그 원리가 같기 때문이다. 잭오랜턴은 노란 호박에 귀신 얼굴을 새기고 그 안에 초를 넣어 만드는 핼러윈의 상징 중 하나다.


□ 적색거성은 태양 정도의 질량을 갖는 별이 진화해 ‘별의 죽음’의 문턱에서 별 내부의 물질 대부분을 외부 우주공간으로 환원하는 단계에 있는 별이다. 이번에 관측한 CW 레오니스는 지구와 가장 가까운 적색거성 중 하나로 적색거성 연구에 매우 중요한 천체이다.


□ 이번 ‘악마의 눈’ 사진은 지난 2011년과 2016년에 허블우주망원경으로 CW 레오니스를 관측한 결과를 합성한 사진이다. 천문연 김효선 박사 연구팀은 악마의 눈이 충혈된 듯 섬뜩하게 묘사될 수 있었던 원인인 외각 껍질층의 반복되는 고리 구조와 이를 뚫고 나가는 방사형 빛줄기의 과학적 의의에 주목했다. 또한 연구팀은 CW 레오니스 중심의 밝기가 매우 짧은 기간 동안 급격히 증가한 사실을 최초로 발견했는데, 이는 별 중심에서 뻗어나가는 방사형 빛줄기가 2016년 관측 시점에 지구에서 바라보는 시선 방향과 거의 나란해졌기 때문일 거라 설명했다. 이 연구결과는 올해 6월 ‘천체물리학저널(The Astrophysical Journal)’에 게재됐다. 


□ 천문연 김효선 박사는“우리는 허블우주망원경의 고화질 광학 영상을 활용해 CW 레오니스의 중심에서 외곽까지 넓은 범위를 연구했고, 현재까지 베일에 싸인 적색거성의 복잡한 구조를 밝힐 실마리를 찾을 수 있었다”고 말했다. 이호규 박사는 “이번 결과를 토대로  천문연이 참여 중인 ALMA, 거대마젤란망원경 등을 활용해 적외선, 전파 영역 관측을 추가할 예정이다. 이를 통해 적색거성을 비롯한 별의 생성과 진화 연구에 획기적 발견을 할 것을 기대한다.”고 말했다. (보도자료 끝. 참고자료 있음)


[문의]

한국천문연구원 전파천문본부 김효선 선임연구원(042-865-2062)

한국천문연구원 대형망원경사업단 이호규 선임연구원(042-865-2103)


[참고자료 1] 

□ NASA-ESA Space Hubble Telescope 공식 보도자료(동영상 포함) 링크 : https://esahubble.org/news/heic2112/ 


□ 허블우주망원경(Hubble Space Telescope)


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사진2. 허블우주망원경(©ESA)


  허블우주망원경은 미항공우주청(NASA)에서 개발한 천문관측용 우주망원경이다. 1990년에 우주왕복선에 의하여 고도 559 km의 저궤도에 오른 뒤, 다양한 천체들의 사진을 촬영하고, 분광 관측함으로써 천문학 발전에 지대한 공헌을 하고 있다. 구경 2.4m의 반사망원경을 탑재하고 여러 가지의 관측기기를 통하여 자외선부터 근적외선까지의 영역에서 관측해오고 있다. 그동안 우주왕복선들로부터 다섯 차례의 정비를 받아서 장비와 관측기기들이 교체되어 왔다.

  허블우주망원경은 천문학적인 투자를 한 미국, 유럽 이외에도 전 세계를 대상으로 관측제안서 공모를 받는다. 올해의 핼러윈 천체사진으로 선정된 ‘악마의 눈’사진은 2016년 천문연 김효선, 이호규 박사 등 한국인 천문학자가 주도한 관측제안서가 채택돼 허블우주망원경으로 촬영했다. 


□ 적색거성(red giant star)

  생애 주기의 말기에 도달한 중소형 크기의 별. 질량이 태양의 0.3배에서 8배가량 되는 주계열성(main sequence star)은 적색거성으로 진화한다. 이런 주계열성의 중심핵에서 수소가 모두 소진되면 핵반응이 더 이상 일어나지 않아 중심핵이 자체 중력에 의해 수축하게 된다. 이 과정 동안 밀도와 압력이 증가하고 결과적으로 온도가 상승하게 된다. 중심핵의 온도가 상승하면 중심핵 밖에 남아 있던 수소가 핵융합하기에 충분한 온도가 되어 중심핵을 둘러싼 껍질에서 수소 핵융합반응이 일어난다. 이로부터 별의 외피층이 팽창하여 반지름이 커지고 외곽 대기는 밀도가 매우 낮아지게 된다. 이에 따라 별의 표면온도가 낮아지고 광도는 커지는 적색거성이 된다.


[참고자료 2] 관련 논문, 연구팀 및 주요 내용

□ 논문 정보

 - 제  목 : Multiepoch Optical Images of IRC+10216 Tell about the Central Star and the Adjacent Environment

 - 게재지 : The Astrophysical Journal

 - 게재일 : 2021년 6월 10일


□ 연구팀(저자순)

- 김효선(한국천문연구원 전파천문본부 선임연구원)

- 이호규(한국천문연구원 대형망원경사업단 선임연구원)

- Youichi Ohyama(대만 천문물리연구소 책임연구원)

- 김지훈(일본국립천문대?(주)메타스페이스 연구원)

- Peter Scicluna(유럽남반구천문대?대만 천문물리연구소 연구원)

- You-Hua Chu(대만 천문물리연구소 책임연구원)

- Nicolas Mauron(프랑스 몽펠리에대학교?CNRS 연구원)

- Toshiya Ueta(미국 덴버대학교 교수)


□ 연구 내용 추가 설명 

  이번 사진의 배경이 된 연구 논문에서는 CW 레오니스의 2001년, 2011년, 2016년 허블우주망원경 관측 자료를 비교 분석했다. 모든 사진에서 빛줄기들의 선형성이 흐트러지지 않음에 주목하여 뚫린 구멍으로 별빛이 새어나오는 것이라고 추론했다. 또한, 이전 사진들과는 달리 2016년 사진에서만 중심별의 위치가 밝게 빛난다는 사실을 알게 되었는데 지구 방향의 빛줄기가 정확히 시선방향과 일치하는 일은 드물게 일어나는 것으로 연구팀은 해석하였다. 

  선형 빛줄기들의 중심별로부터의 방향위치는 15년간 거의 변하지 않았지만 빛줄기들 간의 상대적인 밝기는 크게 변했다. 마치 바다 위 등대가 불빛 방향을 규칙적으로 변화시키는 것과 유사하게 CW 레오니스도 상대적으로 밝은 빛줄기의 방향을 10년을 주기로 회전시키고 있는 것으로 보였다. CW 레오니스는 잭오랜턴과는 달리 별 주변의 껍질층은 완전히 뚫린 것이 아니라 쌓여있는 먼지티끌의 밀도가 상대적으로 희박한 부분들이 있는 것인데 그 부분의 밀도가 높아지면 빛줄기가 약해지고 희박해지면 빛줄기가 강해진다.

  천문학자들은 CW 레오니스 외각 껍질층에 선명하게 각인되어있는, 반복되는 고리형 구조는 동반 쌍성이 존재해서 CW 레오니스 적색거성과의 궤도 상호작용을 통해 만들어낸 양파껍질과 같은 구조물일 것이라고 추측한다. 이번 연구에서는 2011년과 2016년 사진을 이용하여 고리형 구조의 크기 변화를 측정하고 별에서 방출된 껍질층 물질이 팽창하는 속도를 측정하였다. 이렇게 측정한 횡속도(transverse velocity)가 전파 영역의 분자선 시선속도(radial velocity)와 다르다는 사실을 이용하여 방출물질 층의 3차원 분포의 비대칭성과 쌍성의 궤도 모양에 대한 논의를 하였다.

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