이웃 별 들이 행성 상성운을 형성

초기 JWST 이미지는 죽어가는 별과 이전에 볼 수 없었던 별의 상호작용 지문을 보여준다.

2022년 7월 12일, NASA는 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 첫 번째 사진을 공개했는데, 여기에는 행성상 성운 NGC 3132가 포함되어 있다. PN은 태양질량 1~8배의 별이 바깥층에서 튕겨 나올 때 형성되는 이온화된 가스로 이루어진 빛나는 껍질이다. 천문학자들은 PN의 둥근 모양과 균일한 색이 (당시의 망원경으로 보았을 때) 행성과 닮았다고 언급했다.

수세기에 걸쳐 개선된 관측 도구는 PN이 다양한 모양을 취할 수 있다는 것을 보여주었다. 오직 10~20%만이 구형의 바람을 방출하는 구형의 별을 직관적으로 예측할 수 있는 구형의 형태를 가지고 있다. 지난 20년 동안 연구자들은 비구형 PN 모양을 얻기 위해 죽어가는 별이 이웃 별과 상호작용해야 한다고 의심해왔다. 쌍성계를 직접 관측하는 것은 종종 어려운 일인데, 이는 동반성이 너무 어둡고 주성에 너무 가까워서 관측할 수 없기 때문이다. 그러나 간접적인 특징은 PN의 많은 부분이 가까운 동반성을 가지고 있음을 시사한다. 지구에서 약 2500광년 떨어진 곳에 있는 남반구 고리 성운은 전형적인 비구형 PN이다. 이전에 이미 이미지화되었지만, 근적외선(왼쪽)과 중적외선(오른쪽)의 JWST 이미지에는 놀라운 기능이 포함되어 있다. 이제 Orsola De Marco (호주 시드니의 Macquarie University)와 전세계의 68명의 동료들은 관측되지 않은 별들이 성운을 형성하는 데 어떻게 도움이 되었는지를 해독했다.

적외선 사진에서 성운의 중심 근처에 있는 붉은 점은 약 13만 켈빈의 뜨거운 온도에도 불구하고 죽은 별이 적외선에서 밝게 빛나고 있음을 보여준다. De Marco는 "IR에서 무언가가 빛나고 있을 때는 시원해야 하며, 이 경우에는 먼지여야 합니다."라고 말한다. 일반적으로 PN의 중심별은 강력한 쌍성 상호작용 때문에 먼지 원반에 둘러싸여 있다. 연구자들은 남반구 고리 성운의 죽은 별이 왼쪽 이미지에서 PN의 중심 근처에 밝은 별, 오른쪽 이미지에서 중앙의 푸르스름한 흰색 점으로 나타나는 것으로 알려진 동반성보다 더 가까운 이웃을 가지고 있다고 결론지었다.

가장 바깥쪽의 PN 가스는 비록 풍화되고 불완전하지만 동심원 고리의 패턴을 형성한다. 그러한 PN 고리에 대해, 드 마르코는 "가장 좋은 설명은 성운이 형성되고 천천히 부풀어 오를 때, 가스는 방해가 되는 것을 지나쳐 간다는 것이다. 그리고 죽어가는 별 주위를 도는 동반자가 있다면 그 동반자는 가스를 휘젓고 나선의 흔적을 만들어낸다." 나선형이 팽창하면서 고리를 형성한다. 고리 사이의 거리에서 봤을 때, 이 별은 죽은 별에서 40~60 천문단위 떨어져 있는데, 이는 먼지의 원인이 되는 이웃과 눈에 보이는 동반성 사이에 있다. 더 미약한 증거는 또 다른 가능성이 있다는 것을 보여준다. PN 이온화 가스 버블의 3차원 재구성에서, 연구원들은 반대편에서 쌍으로 오는 돌기를 발견했다. 이러한 충돌을 일으키는 가능성 있는 방법은 죽은 별 근처에서 발생하는 플라스마 제트이며, 아마도 세 별 사이의 상호작용에서 발생할 것이다. 그래서 먼지를 담당하는 가까운 동반성 외에도 근처에 다른 별이 있을지도 모른다. 계에는 죽은 별, 눈에 보이는 동반성, 먼지를 일으키는 별, 고리를 만드는 별, 그리고 제트를 만드는 별 등 4개 또는 5개의 별이 있다. 별 다섯 개의 시스템은 특이하지만 불가능한 것은 아니다. 죽은 별의 질량은 계산에 따르면 10% 정도가 네 개의 동반자를 거느리고 있다.

조사는 JWST가 제공하는 파장 범위, 향상된 해상도 및 광 채집 효율성에 달려 있다. (JWST의 기능에 대한 자세한 내용은 "첫 번째 관측 테스트 JWST 기능", 온라인 물리학 오늘, 2022년 11월 17일 참조) "남방 고리 성운과 함께, 우리는 다른 많은 비구형 행성상 성운과 크게 다르지 않은 복잡한 형태의 훌륭한 예를 가지고 있습니다," 라고 이번 연구에 참여하지 않은 NUIRLab의 George Jacoby가 말했다. "하지만 이제 그러한 복잡성에 대한 훌륭한 모델과 설명을 도출할 수 있는 충분한 데이터가 있다면, 우리는 행성상 성운의 물리학을 일반화하는 것에 훨씬 더 자신감을 가질 수 있습니다."