———–SPHERE의 놀라운 우주 이미지는 새로운 행성이 형성되는 곳을 보여줍니다.

우리 태양계에서는 태양, 행성, 명왕성과 같은 왜행성을 지나쳐 보면 엄청나게 다양한 작은(“소”) 천체가 눈에 들어옵니다. 과학자들은 크기가 약 1km에서 수백km에 이르는 물체에 특별한 관심을 기울입니다. 때때로 가스와 먼지를 방출하여 꼬리와 같은 눈에 보이는 특징을 형성하는 것을 혜성이라고 부르며, 그러한 활동을 나타내지 않는 것을 소행성이라고 부릅니다.

이 작은 몸체는 태양계 초기에 대한 단서를 보존합니다. 작은 알갱이가 행성으로 성장하는 오랜 과정 동안, 미행성이라고 알려진 중간 물체가 형성되었습니다. 소행성과 혜성은 과도기 단계의 잔재이며, 결코 완전한 크기의 행성으로 발전하지 못한 소행성입니다. 이런 의미에서 그것들은 한때 지구를 건설했던 것과 동일한 성분의 (다소) 변형된 흔적입니다.

외계 행성계에서 작은 물체 검색

천문학자들은 6000개 이상의 외계행성(즉, 태양이 아닌 별을 공전하는 행성)을 식별하여 은하계 전체에서 행성계가 어떻게 다른지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 이러한 세계를 직접적으로 이미징하는 것은 여전히 ​​매우 어렵습니다. 지금까지 촬영된 외계 행성은 100개 미만이며, 가장 큰 것조차도 특징 없는 빛의 점으로만 나타납니다.

이 문제는 작은 물체를 검색할 때 더욱 커집니다. 그르노블 알프스 대학의 천문학자이자 이번 연구의 공동 저자인 줄리앙 밀리(Julien Milli) 박사는 다음과 같이 지적합니다. “이미지에서 먼 행성계에 있는 작은 물체에 대한 직접적인 단서를 찾는 것은 완전히 불가능해 보입니다. 외계 행성을 탐지하는 데 사용되는 다른 간접적인 방법도 도움이 되지 않습니다.”

먼지는 숨겨진 행성을 탐지하는 열쇠를 제공합니다

돌파구는 작은 몸체 자체에서 나오는 것이 아니라 충돌할 때 생성되는 먼지에서 나옵니다. 젊은 행성계가 특히 활동적입니다. 소행성들은 종종 서로 충돌하며 때로는 더 큰 몸체로 합쳐지고 때로는 더 작은 몸체로 조각나기도 합니다. 이러한 사건은 엄청난 양의 신선한 먼지를 방출합니다.

먼지 가시성의 이면에 있는 물리학은 놀라울 정도로 직관적입니다. 물체를 여러 개의 작은 조각으로 쪼개면 전체 부피는 보존되지만 표면적은 극적으로 늘어납니다. 예를 들어, 폭 1km의 소행성이 단지 1마이크로미터(100만분의 1미터) 크기의 먼지 알갱이로 부서진다면, 전체 표면적은 10억 배 증가할 것입니다. 표면적이 넓다는 것은 별에서 반사되는 빛이 훨씬 더 많다는 것을 의미하므로 먼지를 더 쉽게 감지할 수 있습니다. 천문학자들은 먼지를 관찰함으로써 먼지를 생성하는 보이지 않는 작은 물체에 대한 세부점을 추론할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 잔해 원반이 어떻게 진화하는가

잔해 디스크는 영원히 밝은 상태로 유지되지 않습니다. 젊은 시스템이 성숙해짐에 따라 충돌은 더 드물어집니다. 먼지는 중심별의 복사압에 의해 바깥쪽으로 밀려나거나, 행성이나 소행성체에 의해 휩쓸리거나, 나선형으로 안쪽으로 떨어져 별 속으로 떨어질 수 있습니다.

우리 태양계는 후기 단계의 예를 제공합니다. 수십억 년이 지난 후에도 두 개의 주요 소행성 벨트, 즉 화성과 목성 사이의 소행성 벨트와 거대 행성 너머의 카이퍼 벨트가 남아 있습니다. 더 작은 먼지 입자의 집단도 지속되어 황도대 먼지를 생성합니다. 특히 어두운 하늘 아래, 이 먼지에 의해 산란된 햇빛은 일몰 직후나 일출 직전에 황도광이라고 불리는 희미한 빛으로 볼 수 있습니다.

멀리서 태양계를 연구하는 관찰자들에게는 이러한 희미한 잔여물을 감지하기 어려울 것입니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 더 젊은 시스템 주변의 유사한 먼지 구조는 잔해 디스크 수명의 첫 5천만년 동안 볼 수 있어야 합니다. 이러한 이미지를 캡처하는 것은 매우 어렵습니다. 이 작업은 몇 킬로미터 떨어진 눈부신 경기장 투광 조명 옆에서 얇은 담배 연기 구름을 촬영하는 것과 비교되었습니다. 2014년 봄에 ESO의 VLT(Very Large Telescope) 중 하나에서 작동하기 시작한 SPHERE는 이러한 상황을 위해 특별히 제작되었습니다.

SPHERE가 별빛을 차단하여 희미한 특징을 드러내는 방법

SPHERE의 기본 아이디어는 일상적인 경험에서 친숙합니다. 태양이 눈에 직접 비추면 손을 들어 눈부심을 막아 주위에 무엇이 있는지 볼 수 있습니다. SPHERE는 코로나그래프를 사용하여 외계 행성이나 파편 디스크를 이미징할 때 동일한 효과를 얻습니다. 별빛의 경로에 작은 디스크를 삽입하면 장비가 이미지를 캡처하기 전에 눈부심을 대부분 차단합니다. 이 방법은 광학 시스템이 매우 안정적이고 정밀하게 유지되는 경우에만 작동합니다.

이러한 안정성을 유지하기 위해 SPHERE는 고도로 발전된 적응형 광학 버전을 사용합니다. 지구 대기의 난기류는 들어오는 별빛을 왜곡하며 SPHERE는 이러한 왜곡을 지속적으로 모니터링하고 변형 가능한 거울을 사용하여 실시간으로 수정합니다. 옵션 구성 요소는 별에서 직접 방출되는 빛이 아닌 먼지에 의해 반사되는 빛의 특징인 “편광”을 분리할 수도 있습니다. 이러한 추가 필터링은 희미한 잔해 디스크를 감지하는 SPHERE의 능력을 향상시킵니다.

대규모 조사에서 51개의 잔해 원반이 선명하게 드러났습니다.

새로운 연구는 작은 먼지 입자에 의해 산란된 별빛을 분석하여 생성된 독특한 잔해 디스크 이미지 세트를 제시합니다. 이번 연구의 주 저자인 나탈리아 엥글러(ETH Zurich)는 “이 컬렉션을 얻기 위해 우리는 적외선 방출을 통해 잔해 원반의 존재를 강력하게 나타내는 근처의 젊은 별 161개에 대한 관측 데이터를 처리했습니다.”라고 말했습니다. “결과 이미지는 다양한 특성을 지닌 51개의 잔해 디스크를 보여줍니다. 일부는 더 작고, 일부는 더 크고, 일부는 측면에서 보이고 일부는 거의 정면으로 보입니다. 디스크 구조도 상당히 다양합니다. 디스크 중 4개는 이전에 이미지화한 적이 없습니다.”

이렇게 큰 표본을 사용하면 더 광범위한 패턴을 찾을 수 있습니다. 분석 결과, 더 무거운 젊은 별이 더 많은 거대한 잔해 원반을 수용하는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 먼지가 별에서 더 멀리 집중되어 있는 시스템은 더 무거운 원반을 형성하는 경향을 보여줍니다.

반지, 벨트, 보이지 않는 행성에 대한 힌트

SPHERE 결과의 가장 매력적인 측면 중 하나는 디스크 내부의 광범위한 구조입니다. 많은 별들은 별로부터 특정 거리에 물질이 모여 있는 고리나 띠 모양의 패턴을 보여줍니다. 이러한 배열은 소행성대(소행성)와 카이퍼대(혜성)에 작은 물체가 모이는 우리 태양계와 유사합니다.

이러한 구조는 행성, 특히 궤도를 돌면서 경로를 없애는 큰 행성에 의해 형성되는 것으로 생각됩니다. 책임이 있는 행성 중 일부는 이미 감지되었습니다. 다른 경우에는 원반의 날카로운 모서리나 비대칭이 아직 직접적으로 관찰되지 않은 행성의 존재를 강력하게 암시합니다. 이 때문에 SPHERE 조사는 향후 시설에 대한 귀중한 목표 세트를 제공합니다. ESO가 건설 중인 제임스 웹 우주 망원경(JWST)과 초거대 망원경(ELT)의 장비는 이러한 먼지 고리와 틈을 조각하고 있는 행성 중 적어도 일부를 직접 이미징할 수 있어야 합니다.

연구 저자 및 출판 세부정보

여기에 설명된 결과는 Natalia Engler et al., “SPHERE로 관찰된 잔해 디스크의 특성화”라는 저널에 게재되었습니다. 천문학과 천체물리학.

MPIA 이력서 궁수인 MPPIA, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland 및 Mark Felt는 공동 작업(ETH Zuror), Julien Milli(CNRS, IPAG, University Alpes), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Vienna), Johan Olofsson(ESO), Anne-Lise Maire(CNRS, IPAG, University Grenble Alps) 및 영웅.