‘달팽이 나선 모양’ 적색거성의 3차원 껍질구조 첫관측

대만 중앙연구소 등 국제공동연구진, <네이처 천문학> 표지 논문에
10년 전 허블망원경이 첫 발견 뒤 ALMA 전파망원경으로 세밀 관측


  +    제1저자 겸 책임저자 김효선 연구원 일문일답


00pegasiLL2.jpg » 물질을 우주 바깥으로 뿜어내는 적색거성 ‘페가수스자리 LL’의 관측 영상. 달팽이 나선처럼 빙글빙글 도는 패턴을 뚜렷하게 볼 수 있다. 출처/ ALMA (ESO/NAOJ/NRAO/ Hyosun Kim et al.(2017)



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글빙글 도는 나선형 모양의 달팽이 껍질과 비슷한 패턴을 지닌 거성의 독특한 항성 껍질 구조가 3차원 분석으로 자세히 밝혀졌다. 10년 전 허블 우주망원경이 처음 발견한 이 특이 행성의 나선 내부 구조가 밝혀진 것은 칠레에 있는 대형 전파망원경 알마(ALMA)의 관측과 천문학자들의 분석 덕분이었다.


대만의 중앙연구원 천문천체물리연구소(ASIAA)를 중심으로 한 국제 공동연구진은 최근 페가수스자리에 있는 항성 ‘AFGL 3068’(또는 LL Pegasi)의 안쪽에 있는 나선형 구조를 전파망원경 알마(ALMA)로 세밀히 관측해 그 3차원 껍질 구조를 밝혔다고 발표했다. 한국인인 김효선 박사가 제1저자와 교신저자로서 이끈 이 연구의 결과는 과학저널 <네이처 천문학(Nature Astronomy)>의 표지논문으로 실렸다. ALMA는 여러 나라가 참여하는 전파 망원경 시설이자 관측 프로젝트이다.

참조자료:

대만 중앙연구원 보도자료, 구글 드라이브(https://goo.gl/rnr7sM)


연구진은 페가수스자리 LL 항성이 이런 독특한 나선형 껍질 구조를 지닌 것은 이 항성이 800년 주기의 타원궤도를 도는 쌍성 체계에 있기 때문이라는 해석을 관측과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인했다.


다음은 이번 논문의 책임저자 겸 제1저자인 김효선 연구원의 말이다.


“페가수스자리 LL은 3400광년 떨어진 늙은 별(거성)로, 이전에는 허블 우주망원경을 통해 그 2차원 구조가 밝혀진 바 있습니다. 이번 ALMA 관측을 통해, 허블 망원경으로는 할 수 없는, 나선-껍질의 3차원 분포를 측정할 수 있었습니다. 여기에 컴퓨터 시뮬레이션을 결합한 결과, 중심 쌍성이 타원 궤도를 돌고 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 논문은 거성을 둘러싼 나선-껍질 분포의 자세한 관측을 통해, 중심 쌍성의 궤도가 찌그러진 정도를 알 수 있다고 밝힌 최초의 연구결과입니다.”


연구진은 서서히 자신의 물질을 우주 바깥 쪽으로 방출하고 있는 이 늙은 거성의 나선형 껍질 구조를 영상으로 제작해 공개했다. 다음 동영상과 그 아래 그림은 이 거성의 구조가 4-5바퀴의 뚜렷한 나선 모향을 이루고 있음을 보여준다.
 

[ 유투브 동영상 https://youtu.be/uKlWt6aG_EA ]

00pegasiLL1.jpg » '‘페가수스자리 LL’ 항성 껍질 구조의 단면에 나타나는 나선형 패턴은 이 항성의 3차원 구조를 보여준다. 출처/ Hyosun Kim et al.(2017)


페가수스자리 LL이 특별히 주목받는 이유는 이처럼 밖으로 뻗어나가는 나선형 패턴이 “놀라울 정도로” 매우 규칙적이라는 점 때문이었다. 다음은 2006년 허블 우주망원경의 첫 발견 보고 이후에, 그 독특한 나선 구조가 흥미로운 연구 주제가 되고 있음을 보여주는 2015년 말 무렵의 글이다.


00pegasiLL4.jpg » 출처 / ESA/NASA & R. Sahai, via Univers Today “이 영상은 거성 둘레를 휘감고 있는, 놀라울 정도의 정밀한 얇은 나선 패턴의 모습을 보여준다. 거성 자체는 두꺼운 우주먼지 뒤편에 감추어져 있다. 로스앤젤레스 캘리포니아대학(UCLA)의 마크 모리스와 국제 공동연구 천문학자들은 나선을 형성하는 물질은 대략 시속 5만 km의 속도로 바깥쪽으로 나아가고 있다고 말한다.” (<유니버스 투데이>에서)


이처럼 매우 규칙적인 나선형 패턴은 쌍성이 타원궤도를 돌면서 생성된 것으로 해석되었다.


“페가수스자리 LL의 나선 모양이 너무 완벽해보였기에 여태까지 자연스럽게 쌍성의 궤도가 원(혹은 원에 근사한) 궤도이고 쌍성 궤도면도 우리 시선 방향에 수직에 가깝게 놓여 있다고 가정해왔죠. 그런데 이번 논문에서, 이렇게 완벽해 보이는 나선도 사실은 타원궤도를 돌고 있는 쌍성의 결과물이란 사실을 보였고, 그러니 어쩌면 타원궤도는 생각보다 흔할 수 있다는 생각의 전환점을 가져다줬다고 생각합니다.” (김효선 연구원)


김효선 연구원은 이번 연구결과를 바탕으로 “페가수스자리 LL과 같은 거의 완벽에 가까운 나선 구각 구조조차도 타원궤도의 산물이라면 다른 많은 천체들도 타원궤도일 가능성이 충분히 있어 보인다”고 덧붙였다. 이번 관측 연구는 항성의 진화 연구, 특히 쌍성계를 이루는 늙은 적색거성의 진화 양상을 이해하는 데 큰 도움을 줄 것으로 연구진은 기대했다.


   연구자 일문일답

김효선 연구원 (책임저자 겸 제1저자)




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-이번에 관측 대상이 된 LL Pegasi는 우리말로 어떻게 표기하나요? ‘페가수스자리 항성 LL’로 표기하면 될런지요? 이 항성이 왜 흥미로운 관측 대상이 되는지 그 특징을 조금 설명해준다면?

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“페가수스자리 LL이라고 부르면 됩니다. 사실 늙은 별들은 공식 명칭이 워낙에 많은데요, 페가수스자리 LL는 별자리 이름이 붙어 가장 대중적인 이름이지만 사실 제 논문에는 AFGL 3068이란 이름을 썼어요. AFGL은 1970년대에 실시한 적외선 탐사 프로그램에서 따온 이름이고 3068은 그때 관측된 천체들을 카탈로그로 만들면서 붙여진 번호입니다.

  페가수스자리 LL을 포함해서 많은 늙은 별들은 별 자체도 매우 붉고 주변에 자기가 뿜어놓은 물질들에 가려져 있어서 우리 눈에 보이는 가시광  영역에서는 보이지 않는 경우가 많습니다. 실제로 페가수스자리 LL도 가시광에서는 잘 보이지 않아서 적외선 탐사 프로그램에서 처음 발견된 거죠.

00pegasiLL-HST.jpg » 2006년 허블 우주망원경 관측으로 처음 보고된 페가수스자리 LL(AFGL 3068) 거성의 독특한 영상. 출처/ Mark Morris et al.(2006), http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/potw1020.pdf  10여 년 전에 페가수스자리 LL을 ‘뜨거운 감자’로 만들었던 허블 우주망원경의 고감도 이미지를 봐도 나선 중심부에 별이 있어야 하는데 아무 것도 없죠. 중심 쌍성은 적외선 영역인 2 마이크로미터 파장대에서 켁(Keck) 망원경에 적응제어광학(adaptive optics) 기술을 이용해 관측되었습니다.

 늙은 별들은 우주에 존재하는 거의 대부분의 화학원소와 먼지티끌들이 만들어지는 곳입니다. 우주 초기에는 수소와 헬륨밖에 없었고, 예를 들면 탄소나 산소 등은 없었습니다. 늙은 별들에서 일어나는 일련의 과정을 통해 이처럼 더 무거운 화학원소들이 생기지 않았다면 우리 몸을 구성하는 유기물도, 그러니 우리도 존재하지 않았겠죠. 그러니 태양과 유사한 별들의 진화 과정 마지막에 해당하는 적색거성, 행성상 성운 단계에서 별이 어떻게 자기 물질을 성간(별 사이 공간)으로 뿜어내고 (그렇게 자기를 둘러싸게 된) 물질이 어떻게 진화하는지 연구하는 것은 천문학의 중요한 기초 분야 중 하나입니다. 그런데 이 늙은 별과 그 성간물질은 어떤 파장으로 관측하느냐에 따라 매우 다르게 보이고 그래서 아직도 모르는 게 참 많습니다.”



000Q.jpg -이번 연구는 허블 우주망원경이 처음 발견한 페가수스자리 LL의 나선 껍질 구조를 ALMA 전파망원경으로 더욱 세밀하게 관측해 (1)그 나선형 껍질의 ‘3차원’ 구조를 밝히고 (2)그런 규칙적인 패턴이 타원궤도의 쌍성 시스템에서 비롯했음을 확인했다는 데에 의미가 있는 것인지요? 이번 연구의 성과를 다시 설명해주신다면?

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“이미 알려져 있는 허블 우주망원경 관측 자료는 2차원 이미지인 데 비해 이번 ALMA 관측 자료는 3차원 큐브라는 게 큰 장점입니다. 컴컴한 밤에 공을 들고서 벽 쪽으로 향하게 불을 켜보면 벽에 원 모양 그림자가 생기죠. 그런데 공이 아니라 원통을 들고서도 똑같은 원 그림자를 만들 수 있어요. 벽에 투영되어 생긴 2차원 이미지로는 구별할 수가 없는 거죠. 실제로 공개 강연을 하면서 나선 이미지를 보여주면 많은 사람들이 나선형 구각 구조를 상상하기 힘들어 하더라고요. 좀 더 익숙한 천체인 나선 은하나 행성계 원반 등 납작한 2차원 원반에 나선이 있는 상황으로 오해하시는 분들이 많았어요. 그래서 이번에 ALMA 관측과 수치실험 모형을 공개하면서 3차원 모습을 보여주는 동영상을 함께 공개했습니다. ALMA로 분자 가스 관측을 하면 가스 물질들의 시선속도 당 한 장씩의 이미지가 나온다고 생각하시면 됩니다. 3차원 영화와는 조금 다른 개념이긴 한데요, 2차원인 허블 우주망원경 이미지에 비해 정보를 한 차원 확장했다는 의미에서는 비슷합니다.


[ https://youtu.be/uxqz9kFiuKU ]


적색거성과 행성상 성운에서 원 고리나, 그 일부에 해당하는 원 호 모양의 규칙적인 패턴이 관측된 경우는 상당히 많습니다. 주로 허블 우주망원경으로 1990년대에 많이 발견되었죠. 하지만 페가수스자리 LL의 경우와 같이 그 패턴 전체가 온전하게 관측된 적이 없었고 특히 그렇게 거의 완벽에 가까운 나선 모양은 없었습니다. 그래서 큰 이슈가 되었던 겁니다.

 한편 ‘적색거성이 쌍성을 이루고 있다면’이라는 가설에서 시작한 이론 연구도 비슷한 시기에 시작되었고 그 이론 연구 결과가 나선형 구각 구조로 귀결되었지만, 페가수스자리 LL이 알려지기 전까지는 그러한 관측과 이론을 서로 연관지어 생각을 못했던 것 같아요.

 페가수스자리 LL의 나선 모양이 너무 완벽해보였기에 여태까지 자연스럽게 쌍성의 궤도가 원(혹은 원에 근사한) 궤도이고 쌍성 궤도면도 우리 시선 방향에 수직에 가깝게 놓여 있다고 가정해왔죠. 그런데 이번 논문에서, 이렇게 완벽해 보이는 나선도 사실은 타원궤도를 돌고 있는 쌍성의 결과물이란 사실을 보였고, 그러니 어쩌면 타원궤도는 생각보다 흔할 수 있다는 생각의 전환점을 가져다줬다고 생각합니다.”


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-나선형 껍질 패턴이 타원궤도의 쌍성 시스템에서 비롯했음을 밝혀주는 ‘근거(evidence)’로 무엇을 제시되었는지요?

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00pegasiLL3.jpg » 그림 상자 안에서 볼 수 있듯이 나선이 갈라짐은 ‘타원궤도’를 도는 쌍성에서 나타날 수 있다. 출처/ ALMA (ESO/NAOJ/NRAO/ Hyosun Kim et al.(2017) “나선 패턴의 갈라짐 현상(공개한 이미지 중 흰색 박스로 그 부분을 강조하고 있는 이미지 참조)은 ‘타원궤도’의 결정적인 증거입니다. 원궤도 쌍성의 3차원 모의 수치실험 결과를 이렇게 저렇게 돌려보면 2차원에 투영된 패턴은 돌린 각도에 따라 완벽한 나선일 수도, 완벽한 고리 패턴일 수도, 그리고 한쪽 방향으로 길게 찌그러진 나선 패턴일 수도 있습니다. 하지만 나선이 갈라지지는 않아요.

 끊임없이 자기 안의 물질을 뿜어내는 늙은 별이 타원궤도를 돈다면, 두 별이 가장 가까워지는 근점에서는 물질을 가장 빨리 뿜어내고 또 별 자체도 그 근점에서 빠른 속도로 멀어집니다. 반대로 두 별이 가장 멀리 떨어진 원점에서는 모든 것이 느립니다. 이와 같이 한 궤도 주기 안에 변화가 생기면서 그 결과물인 주변 가스 물질 분포에 변화가 생기는 겁니다.
 다른 유사한 천체들과 마찬가지로, 페가수스자리 LL의 패턴으로부터 추정되는 쌍성의 궤도 주기는 약 800년 정도로 궤도 운동을 직접 관찰하기에는 상당히 긴 시간입니다. 쌍성이 타원궤도를 돌고 있는지 직접 관측하려면 자손의 자손이 이어서 수십 대를 거쳐서 계속 관측해야만 알 수 있겠네요. 게다가 페가수스자리 LL의 두 별 간 거리는 나선팔 사이 간격의 약 1/20 (공개한 ALMA 이미지 한 변 길이의 약 1/200) 정도로 매우 높은 고분해능 관측이 요구가 됩니다.”


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-이런 독특한 항성이 우주에 많이 존재하리라고 여겨지는지요? 항성의 진화 과정에 어떤 새로운 인식을 가져다줄 수 있을런지요? 왜 지금까지 이런 독특한 항성이 발견되지 못했던 것인지요?

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“이와 유사한 나선 혹은 원고리 패턴은 상당히 많은 늙은 별 주변에서 발견됩니다. 이러한 패턴이 모두 중심부에 쌍성이 있어서 생긴 거라면 이들 쌍성 궤도 주기가 수백 년으로 추정됩니다. 그런데 한 편, 많은 행성상 성운에는 이와 같은 나선형 구각 구조와 동시에 쌍극 구조가 종종 발견되는데, 쌍극 구조는 쌍성이 서로 가까이 위치하여 상호작용함으로써 만들어진 구조라고 알려져 있습니다. 따라서 한 천체에서 나선형 구각 구조와 쌍극 구조의 공존을 설명하기 위해서는 쌍성 간의 거리가 멀면서도 가까워야 하는 아이러니에 빠져 있는거죠. 이를 해결하기 위해서 쌍성의 궤도가 점점 가까워지는 궤도 진화 과정을 도입하거나 쌍성이 아닌 세 개의 별이 서로 궤도 운동하고 있는 계를 상상해볼 수 있지만 이와 같은 복잡한 항성 진화에 대한 구체적인 연구는 아직까지 많이 미흡합니다. 쌍성이 타원궤도를 따라 주기적으로 서로 멀어졌다 가까워졌다를 반복함으로써 나선형 구각 구조와 쌍극 구조를 동반하는 행성상 성운이 만들어질 수 있지 않았을까 하는 새로운 시각을 제시해볼 수 있습니다. 페가수스자리 LL과 같이 거의 완벽에 가까운 나선 구각 구조조차도 타원궤도의 산물이라면 다른 많은 천체들도 타원궤도일 가능성이 충분히 있어 보입니다.”


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-이번 관측연구에서 다 풀지 못한 후속 과제는 무엇인지요?


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“페가수스자리 LL은 별의 진화 과정 단계로 볼 때 행성상 성운(planetary nebula)에 속하지는 않고 점근거성가지라 불리는 적색거성의 마지막 단계이자 행성상 성운으로 넘어가기 직전 단계에 속합니다. 나선형 구각 구조와 쌍극 구조를 함께 관측할 수 있는 것은 행성상 성운인데요, 이 중 구각 구조는 점근거성가지 단계에서, 쌍극 구조는 행성상 성운 단계에서 만들어진 구조입니다. 두 구조를 함께 보이는 여러 다른 나이의 행성상 성운을 관측해서 비교적 구형에 가까운 구조에서 쌍극 구조로 변화되는 계기가 무엇인지를 알고 싶습니다. 쌍성이 그 과정에 큰 역할을 할 것으로 여겨지지만 구체적으로 어떤 역할을 하는 지 아직 잘 모릅니다.

 그리고 지금까지의 별의 진화 과정에 대한 연구는 주로 홀로 있는 별에 초점이 맞춰져 있었습니다. 그래서 쌍성계를 이루고 있는 늙은 별은 홀로 있는 별에 비해 성간 공간으로 물질을 더 많이 환원하는지, 주변 가스 분자의 화학적 조성이 어떻게 달라지는 지 등 사실 쌍성계에 대해서는 많이 연구되지 않은 거죠.

 그런데 최근 몇 십 년간 관측적, 이론적 연구가 급속도로 진행되면서 대부분의 행성상 성운이 비대칭성을 띄고 있음이 밝혀지게 되었고 그에 따라 여러 방면으로 쌍성계 연구에 박차를 가하고 있습니다.”



00pegasiLL_reseacher.jpg » 이번 관측 연구를 수행한 연구진의 모습(가운데, 김효선 박사).


-이번 관측 연구와 논문에 참여한 연구진을 소개해주신다면? 그리고 김효선 박사님을 잠시 소개해주시고 이번 관측연구에서 어떤 부분에 참여하셨는지도 말씀해주시면 고맙겠습니다.


“이번 연구에는 대만 중앙연구원(Academia Sinica)의 천문및천문연구소(a.k.a. ASIAA) 소속인 Alfonso Trejo 박사, Sheng-Yuan Liu 박사, Ronald E. Taam 교수, Naomi Hirano 박사, I-Ta Hsieh 군과 미국 NASA 제트추진연구소(JPL) Raghvendra Sahai 박사, 그리고 UCLA 대학의 Mark Morris 교수가 참여하였습니다. 저는 이번 연구의 총 책임자로서 ALMA 관측 제안서 작성부터 논문 출판 교신까지 모든 과정을 책임지고 수행했습니다. 저의 주 전공 분야는 유체 이론 개발 및 모의 수치실험이고 이번 ALMA 관측은 저의 쌍성 모형을 관측으로 검증하고자 시작된 일이었습니다.

 저는 동아시아핵심천문대연합체(한-중-일-대만) 즉 EACOA(East Asian Core Observatories Association) 연구원으로, 한국천문연구원과 대만중앙연구원에 차례로 재직 중입니다. 현재는 대만 중앙연구원에 소속을 두고 있습니다. 서울대학교 물리학과 학부를 졸업하고 천문학과에서 박사 학위를 받았습니다.”


오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr  

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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