수명이 다하면 태양과 같은 별은 보이지 않는 동료에 의해 형성되는 빛나는 가스 껍질로 변합니다. 수십억 년 후에 우리 태양은 수명이 다하고 헬륨 핵이 핵에서 융합되기 시작하면서 극적으로 팽창하여 적색 거성으로 알려진 것으로 변할 것입니다. 트림을 거의 하지 않고 수성, 금성, 지구를 삼킨 후에는 더 이상 가장 바깥쪽의 가스와 먼지 층을 붙잡을 수 없을 정도로 커질 것입니다.
영광스러운 결말에서, 그것은 이 층들을 우주로 방출하여 아름다운 빛의 베일을 형성할 것이며, 이는 퇴색되기 전에 수천 년 동안 네온 사인처럼 빛날 것입니다.
은하계에는 행성상 성운으로 알려진 수천 개의 보석 같은 기념물이 있습니다. 그것들은 태양 질량의 절반에서 질량의 8배에 이르는 별의 일반적인 종말 단계입니다. (더 무거운 별은 초신성이라고 하는 폭발이라는 훨씬 더 격렬한 종말을 보입니다.) 행성상 성운은 Southern Crab, Cat's Eye 및 나비와 같은 이름에서 알 수 있듯이 놀랍도록 다양한 모양으로 나타납니다. 그러나 그것들은 아름답지만 천문학자들에게도 수수께끼였습니다. 우주의 나비는 겉보기에 특징이 없고 둥근 붉은 거성의 고치에서 어떻게 나올까요?
관측과 컴퓨터 모델은 이제 30년 전에는 이상하게 보였을 설명을 가리키고 있습니다. 대부분의 적색 거성에는 중력의 포옹 속에 숨어 있는 훨씬 작은 동반성이 있습니다. 이 두 번째 별은 도공이 도공의 물레 위에서 그릇을 만드는 것처럼 행성상 성운으로의 변형을 형성합니다.
위 이미지의 왼쪽에 있는 근적외선 이미지는 Vela 별자리에서 약 2,500광년 떨어져 있는 행성상 성운인 Southern Ring Nebula에 있는 환상적인 동심원 가스 껍질을 보여줍니다. 조개껍데기는 죽어가는 별의 폭발의 역사를 기록합니다. 오른쪽의 중간 적외선 이미지는 성운의 중심에서 죽어가는 별(빨간색)과 동반성(파란색)을 쉽게 구별합니다. 성운의 모든 가스와 먼지는 붉은 별에 의해 방출되었습니다.
대량 분쇄기
행성상 성운 형성의 지배적인 이론은 이전에 단 하나의 별, 즉 적색 거성만 포함했습니다. 외층에 약한 중력만 있으면 수명이 다할 무렵에 질량을 매우 빠르게 흘려 100년에 1%씩 손실합니다. 그것은 또한 표면 아래에서 끓는 물 냄비처럼 휘저어 외부 층을 들락날락하게 만듭니다. 천문학자들은 이러한 맥동이 가스와 먼지를 우주 로 날려 보내는 충격파를 생성하여 이른바 항성풍을 생성한다고 이론화했습니다. 그러나 이 물질이 다시 별에 떨어지지 않고 완전히 방출하려면 엄청난 에너지가 필요합니다. 부드러운 폭풍이 될 수 없습니다. 이 바람은 로켓 폭발의 힘이 필요합니다.
별의 외부 층이 탈출한 후 훨씬 더 작은 내부 층이 백색 왜성으로 붕괴됩니다. 적색 거성보다 더 뜨겁고 밝은 이 별은 가스가 스스로 빛나기 시작할 때까지 방출된 가스를 비추고 따뜻하게 합니다. 그리고 우리는 행성상 성운을 봅니다. 전체 과정은 천문학적 기준으로 매우 빠르지만 인간의 기준으로는 느리며 일반적으로 수세기에서 수천 년이 걸립니다.
1990년에 허블 우주 망원경이 발사되기 전까지 우리는 그 과정을 이해하는 방향으로 "우리가 올바른 길을 가고 있다고 확신했습니다"라고 워싱턴 대학의 천문학자인 브루스 발릭은 말합니다. 그런 다음 그와 뉴욕 로체스터 대학교의 Adam Frank는 오스트리아에서 열린 회의에 참석하여 허블의 행성상 성운에 대한 첫 번째 사진을 보았습니다. "우리는 커피를 마시러 나가서 사진을 보고 게임이 바뀌었다는 것을 알았습니다."라고 Balick은 말합니다.
천문학자들은 적색 거성이 구형 대칭이고 둥근 별이 둥근 행성상 성운을 생성해야 한다고 가정했습니다. 그러나 그것은 허블이 본 것이 아닙니다. 심지어 가깝지도 않습니다. Rochester Institute of Technology의 천문학자인 Joel Kastner는 "많은 행성상 성운이 이국적인 축대칭 구조를 가지고 있다는 것이 분명해졌습니다."라고 말했습니다. 허블은 원형이 아니라 마치 녹로를 켜는 것처럼 성운의 주축을 중심으로 대칭인 환상적인 돌출부, 날개 및 기타 구조를 보여주었습니다.
허블 우주 망원경으로 촬영한 위의 이미지에서 남방게 성운은 다리가 4개가 아니라 거품이 2개 있는 것으로 나타났습니다. 거품의 중심은 별 사이의 가스를 만나면 불이 붙을 수 있는 "매듭"이 있는 두 개의 가스 제트를 보여줍니다. 센타우루스자리의 지구에서 수천 광년 떨어진 곳에 위치한 남방게는 두 번의 가스 방출 사건을 겪은 것으로 보입니다. 약 5,500년 전에 하나는 외부 "모래시계"를 만들었고 2,300년 전에 유사한 사건으로 내부의 훨씬 작은 "모래시계"가 만들어졌습니다.
숨겨진 동반자
2002년 천문학 및 천체 물리학의 연례 검토에서 Balick과 Frank의 기사 는 이러한 구조의 기원에 대한 당시의 논쟁을 포착했습니다 . 일부 과학자들은 축 대칭이 적색 거성이 어떻게 회전하는지 또는 자기장이 어떻게 작용하는지에서 비롯된 것이라고 제안했지만 두 아이디어 모두 몇 가지 기본적인 테스트에 실패했습니다. 별이 커짐에 따라 회전과 자기장은 모두 약해져야 하지만, 적색 거성의 질량 손실률은 수명이 다할 때 가속화됩니다.
다른 옵션은 대부분의 행성상 성운이 하나의 별이 아니라 한 쌍의 별에 의해 형성된다는 것입니다. 시드니 맥쿼리 대학의 천문학자인 Orsola De Marco는 이를 " 쌍성 가설 "이라고 명명했습니다. 이 시나리오에서 두 번째 별은 적색 거성보다 훨씬 작고 수천 배 더 희미하며 목성이 태양에서 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. 그렇게 하면 삼키지 않을 만큼 멀리 떨어져 있으면서 적색 거성을 교란할 수 있을 것입니다. (두 번째 별이 수백 년마다 적색 거성에 접근하여 층을 벗겨내는 급강하 폭격 궤도와 같은 다른 가능성도 있습니다.)
이진 가설은 죽어가는 별의 첫 번째 변태 단계를 잘 설명합니다. 동반자가 주별에서 먼지와 가스를 끌어당길 때, 그들은 즉시 동반자로 빨려들어가지 않고 동반자의 궤도면에서 강착 원반으로 알려진 물질의 소용돌이 치는 원반을 형성합니다. 그 강착 원반이 도공의 물레입니다. 디스크에 자기장이 있으면 디스크 평면에서 회전축을 향해 하전된 가스를 밀어냅니다. 그러나 자기장이 없더라도 디스크의 물질은 궤도면에서 가스의 외부 흐름을 방해하므로 가스는 양극을 향해 더 빠르게 흐름과 함께 2엽 구조를 취합니다. 그리고 그것이 바로 허블이 행성상 성운의 이미지에서 본 것입니다. "
쌍둥이 제트 성운 위의 왼쪽 이미지에서 지구로부터 2,400광년 떨어진 뱀주인자리 별자리는 극지방으로 빠르게 이동하는 두 개의 제트 제트와 함께 모래시계 모양을 보여줍니다. 가스는 아마도 약 1,200년 전에 중심 별에 의해 분출되었을 것입니다. 오른쪽 이미지에서 지구에서 3,300광년 떨어진 용자리의 고양이 눈 성운은 11개의 동심원 먼지 고리를 보여주고 있으며, 천문학자들은 이 먼지가 1,500년 간격으로 방출된 것으로 추정합니다. 복잡한 내부 구조가 형성되는 과정은 아직 누구도 짐작할 수 없다.
보는 것은 믿는 것이다
그럼에도 불구하고, 감지할 수 없는 동반성이라는 생각은 일부 천문학자들에게 잘 맞지 않았습니다. 2020년까지만 해도 유명한 천체 물리학자인 벨기에 KU Leuven의 천문학자인 Leen Decin 은 그녀에게 이렇게 말했습니다. 모델은 데이터를 해석하는 데 꽤 좋은 역할을 하는 것 같지만, 결국 우리는 실제로 볼 수 있는 것만 믿어야 하지 않을까요?"
그러나 지난 10년에서 15년 사이에 흐름은 꾸준히 바뀌었습니다. 새롭고 혁신적인 망원경은 일부 적색 거성이 행성상 성운으로 변하기 전에 나선 구조와 강착 원반으로 둘러싸여 있음을 밝혔습니다 . 이는 적색 거성에서 물질을 끌어당기는 두 번째 별이 있는 경우와 마찬가지입니다. 몇 가지 경우에, 천문학자들은 동반성 자체를 발견했을 수도 있습니다.
Decin과 그녀의 동료들은 특히 2011년에 온라인에 등장한 칠레의 Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(Alma)에 의존했습니다. Alma는 천체의 이미지를 생성하기 위해 함께 작동하는 66개의 전파 망원경으로 구성되어 있습니다. "그것은 역학과 속도를 이해하려는 경우 중요한 높은 공간 및 스펙트럼 해상도를 제공합니다."라고 Decin은 말합니다. 속도는 과학자들이 항성풍과 강착 원반을 매핑하는 퍼즐의 중요한 부분입니다.
위 그림에서 별의 이름은 각 이미지의 왼쪽 상단 모서리에 있습니다. 별에서 바깥쪽으로 부는 바람은 원반, 나선 및 "장미"와 같은 다양한 구조를 생성하며, 이는 적색거성 별 주위를 도는 동반자가 있다는 이론과 일치합니다. 빨간색은 관찰자로부터 멀어지는 가스를 나타내고 파란색은 관찰자에게 이동하는 가스를 나타냅니다. 1AU는 하나의 천문 단위 또는 지구에서 태양까지의 거리입니다. 비교를 위해 해왕성은 태양으로부터 30AU 떨어져 있습니다. 동반성은 기본 별보다 더 가까울 가능성이 높으며 기본 별의 눈부심으로 인해 보이지 않습니다.
최후의 행위
앨마는 12개 이상의 적색거성 주위에 나선 모양 또는 호 모양의 구조를 보았는데, 이는 물질이 적색 거성에서 떨어져 나와 동반자를 향해 나선형으로 돌고 있다는 신호입니다. 나선은 컴퓨터 시뮬레이션과 거의 일치하며 오래된 항성풍 모델로는 설명할 수 없습니다. Decin 은 Science의 2020년 초기 연구 결과를 보고했으며 다음 해의 Annual Review of Astronomy and Astrophysics 에서 이를 확장했습니다 .
또한 Decin의 그룹은 Alma 이미지에서 이전에는 감지할 수 없었던 두 개의 적색 거성 p1 Gruis와 L2 Puppis의 동반자를 발견했을 수 있습니다. 이를 확인하기 위해 그녀는 새로 감지된 물체가 기본 별 주위를 움직이는지 확인하기 위해 일정 기간 동안 그들을 모니터링해야 합니다. Decin은 "그들이 움직이면 동료가 있을 것이라고 확신합니다."라고 말합니다. 아마도 이 발견은 마지막 회의론자들을 이길 것입니다.
범죄 현장 수사관처럼 천문학자들은 이제 행성상 성운의 생성에 대한 "전"과 "후" 스냅샷을 가지고 있습니다. 그들이 부족한 한 가지는 사건 자체의 CCTV 영상과 동일합니다. 천문학자들이 행성상 성운으로 변하는 과정에서 적색 거성을 잡을 수 있다는 희망이 있습니까?
지금까지 컴퓨터 모델은 수세기에 걸친 과정이 처음부터 끝까지 "관찰"하는 유일한 방법입니다. 그들은 천문학자들이 하나의 극적인 시나리오에서 집으로 돌아갈 수 있도록 도왔습니다. 이 시나리오에서 동반성은 오랜 기간 동안 궤도를 돌다가 조석력으로 인해 거리가 멀어진 후 1차 행성으로 추락했습니다. 프랭크는 그것이 적색 거성의 핵을 향해 나선형으로 돌면서 동반자는 "미친 양의 중력 에너지"를 흘린다고 말합니다. 컴퓨터 모델은 이것이 별이 외부 층 을 방출하는 과정 을 단 1년에서 10년으로 엄청나게 가속화한다는 것을 보여줍니다. 이것이 옳고 천문학자들이 어디를 봐야 하는지 안다면 별의 죽음과 행성상 성운의 탄생을 실시간으로 목격할 수 있을 것입니다.
주목해야 할 후보 중 하나는 V Hydrae입니다. 매우 활동적인 이 적색 거성은 8.5년마다 극을 향해 총알 같은 플라즈마 덩어리를 방출하고 지난 2,100년 동안 적도면에서 6개의 큰 고리를 토해냈습니다. 4월에 고리의 발견을 발표한 나사 제트추진연구소의 천문학자인 라그벤드라 사하이는 적색거성이 하나가 아니라 두 개의 동반성을 갖고 있다고 믿고 있다 . 근처에 있는 동료는 이미 적색 거성의 외피를 뜯고 플라즈마 방출을 일으키고 있을 수 있으며, 급강하 폭격 궤도에 있는 멀리 있는 동료는 고리 방출을 제어합니다. 그렇다면 V Hydrae는 가까운 동료를 삼켜 버릴 뻔했습니다.
마지막으로 우리 태양은 어떻습니까? 쌍성 별 연구는 단일 항성이기 때문에 우리 별의 운명과 거의 관련이 없는 것처럼 보일 수 있습니다. 동반자가 있는 별은 동반자가 없는 별보다 약 6~10배 더 빨리 질량을 잃는다고 Decin은 추정합니다. 동료 별이 적색거성의 껍질을 벗겨내는 것이 적색거성이 자신의 껍질을 밀어내는 것보다 훨씬 더 효율적이기 때문입니다.
이것은 동반자가 있는 별에 대한 데이터는 태양과 같이 동반자가 없는 별의 운명을 안정적으로 예측할 수 없다는 것을 의미합니다. 태양 크기의 별의 약 절반에는 일종의 동반자가 있습니다. Decin에 따르면 동반자는 항성풍의 모양에 항상 영향을 미치며, 동반자가 충분히 가깝다면 질량 손실률에 큰 영향을 미칩니다. 태양은 그 별들보다 외부 층을 더 천천히 방출할 가능성이 가장 높으며 적색거성 단계에 몇 배 더 오래 머무를 것입니다.
그러나 Sun의 마지막 행동에 대해서는 아직 많이 알려지지 않았습니다. 예를 들어, 목성은 별이 아니지만 태양으로부터 물질을 끌어당겨 강착 원반에 동력을 공급할 만큼 충분히 무겁습니다. Decin은 "목성에 의해 생성된 매우 작은 나선이 있을 것이라고 생각합니다."라고 말합니다. "우리 시뮬레이션에서도 태양풍에 미치는 영향을 볼 수 있습니다." 그렇다면 우리 태양도 화려한 결승전을 앞두고 있을지도 모릅니다.
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