제임스 웹, 죽어가는 별 주위를 자세히 관찰하다 – 2편

[JWST 첫 관측 결과 해석] (3) 행성상 성운 편

“제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과 해석” 시리즈는 사이언스타임즈 리포터이자 천문학자의 시선으로 바라보는 제임스 웹의 관측 결과 해석, 그리고 앞으로의 전망 등에 대해 설명하는 연재 코너입니다.

제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과는 한국 시각으로 7월 12일 오후 11시 30분(미국 동부 표준시로 7월 12일 오전 10시 30분)에 NASA TV에서 실시간으로 공개되었다. 공개된 고해상도 이미지와 분광 스펙트럼은 총 5가지로, SCAMS 0723 은하단, 뜨거운 가스 외계 행성 WASP-96b(분광 스펙트럼), 남반구 고리 성운으로 알려진 NGC 3132 성운, 슈테팡의 오중주(Stephan’s Quintet), 그리고 용골 성운의 NGC 3324 가장자리 ‘우주 절벽’ 등이 있다. (관련 기사 보기 – ‘제임스 웹 우주망원경 첫 관측결과를 공개하다’)

제임스 웹 우주망원경의 관측 결과 해석 시리즈에서는 고해상도 이미지를 하나씩 파헤치며, 사진들이 어떤 의미를 가졌는지와 천체들에 대한 제임스 웹의 앞으로 계획은 어떠한지 알아본다. 제임스 웹의 세 번째 이미지는 매우 상세하게 촬영된 별의 마지막 모습이었으며, 이를 통해서 지금까지 볼 수 없었던 구체적인 구조를 파악할 수 있어서 큰 화제가 되었다.

→ 1편에서 계속되는 기사입니다. (관련 기사 보기 – ‘제임스 웹, 죽어가는 별 주위를 자세히 관찰하다 1편’)

 

결과 해석 ③ : 근적외선 촬영 이미지

위 이미지는 눈에 보이지 않는 근적외선 파장의 빛을 가시광선의 색상으로 변환하여 보여주고 있다. 사진 아래 다른 색깔로 표시되며 나열된 문자들은 빛을 수집할 때 사용되었던 NIRCam 필터를 나타낸다. 각 필터 이름의 색상은 해당 필터를 통과하는 근적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선의 색상이며 개별 노출의 합성물이다. (초고해상도 사진 보러 가기)

근적외선 이미지는 매우 섬세한 구조까지 포함하고 있다. ⓒ JWST, ESA, CSA, STScI

북쪽과 동쪽 나침반 화살표는 아래에서 볼 때의 이미지의 방향을 보여주고 있으며, 위에서 볼 때의 방향은 화살표가 반전되어야 한다. 스케일 바는 빛이 1년 동안 이동하는 거리인 광년으로 표시되는데, 빛이 스케일 바의 길이만큼 이동하는 데 0.25년이 걸린다. 참고로 1광년은 9조 4600억km(혹은 약 5조 8800억 마일)과 같다. 이를 통해서 행성상 성운의 반지름이 대략 0.5광년에서 1.5광년 정도 되는 것을 알 수 있다.

NGC 3132의 중심에 있는 밝은 별은 제임스웹 망원경의 근적외선 촬영 도구로 볼 때 매우 두드러지지만, 흥미롭게도 위 별은 사실 위 성운을 만드는 데 보조 역할을 하는 별이다. 밝은 별의 회절 스파이크 중 왼쪽 아래 스파이크 아래 가려져서 거의 보이지 않는 두 번째 별이 바로 백색 왜성이며 위 성운의 근원이 되는 별이다. 위 별은 수천 년에 걸쳐서 최소 8층의 가스와 먼지를 분출했다.

물론 밝은 별이 중요하지 않은 것은 아니다. 밝은 중앙의 별은 난기류를 만들어냄으로써 마치 냄비의 내용물을 저어주는 것처럼 행성상 성운의 매우 복잡한 고리를 만드는데 일조를 하고 있다. 위 두 별은 서로 매우 가깝게 돌고 있기에 백색 왜성이 물질을 방출할 때 더 다양한 방향으로 들쭉날쭉한 고리를 만들게 된다.

또한, 수백 개의 직선으로 밝게 빛나는 선이 가스와 먼지 고리를 관통하고 있다. 위 “스포트라이트”는 햇빛이 구름 틈을 통해서 나가는 것처럼 밝은 별에서 나와 성운의 구멍을 통해 흐르는 것처럼 보인다. 물론, 모든 별빛이 탈출할 수 있는 것은 아니다. 청록색으로 표시된 중앙 영역은 투명도(혹은 불투명도: 빛이 산란하지 않고 얼마나 자유자재로 물질을 통과할 수 있는지에 관한 물리적 특성)에 따라서 달라지는 영역이다. 진한 청록색은 가스와 먼지의 밀도가 더 높기 때문에 빛이 탈출하기 쉽지 않다.

 

결과 해석 ④ : 중적외선 촬영 이미지 – 두 개의 별을 자세히 보여주다

위 이미지는 근적외선 이미지처럼, 눈에 보이지 않는 중적외선 파장의 빛을 가시광선의 색상으로 변환하여 보여주고 있다. 사진 아래 다른 색깔로 표시되며 나열된 문자들은 빛을 수집할 때 사용되었던 MIRI필터를 나타낸다. 각 필터 이름의 색상은 해당 필터를 통과하는 중적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선의 색상이며 역시 개별 노출의 합성물이다. (초고해상도 사진 보러 가기)

중적외선의 이미지는 두 개의 별을 매우 선명하게 보여주고 있다. ⓒ JWST, ESA, CSA, STScI

위에서 설명된 것처럼, 흥미롭게도 위 행성상 성운을 만들고 있는 주인공은 NGC 3132의 중심 근처에 있는 밝은 별이 아니라 희미한 별인 백색 왜성이다. 중적외선 이미지는 근적외선 이미지와 다르게 행성상 성운 내 서로 가까이 있는 두 개의 별을 선명하게 보여주고 있다. 물론, 근적외선 이미지도 회절 스파이크에 백색 왜성이 가려졌을 뿐, 회절 스파이크가 없었다면 밝게 보였을 것이다.

중심 부분의 더 밝은 별은 10등급의 별이고 더 어두운 백색 왜성은 16등급의 별이다. 위 백색 왜성은 대략 지구만 한 크기에 태양보다 10배 이상 뜨거운 별이다. 약 100,000K의 이 뜨거운 중심별은 강렬한 태양풍으로 외부 층을 대부분 날려 버렸으며, 강렬한 자외선과 X선을 방사하여 밝게 빛나는 플라스마 고리를 형성하고 있다. 백색 왜성은 밀도가 높은 먼지층에 묻혀 있기 때문에 중적외선 파장에서 더 크고 붉은색으로 보인다.

위 별은 아마도 지금쯤은 마지막 층을 몰아냈을 것으로 예측되며, 위 백색 왜성이 왜 먼지로 덮여 있는지는 아직 밝혀지지 않았다. 물론 동반성인 더 밝은 별에서 먼지가 이전되었을 가능성도 있다. 위 먼지들은 태양계를 둘러쌓고 있는 보통의 먼지원반(debris disks)과는 다소 다른 특성을 지니고 있을 것이라고 예측되기에, 활발하게 연구가 시작되고 있는 분야 중 하나이다. 이는 천문학자들이 수년 내로 풀어야 할 숙제로 보인다. 또한, 밝은 별은 아직 백색 왜성처럼 수명의 마지막 단계에 도달하지 않았으며 아직 진화 초기 단계에 있는 별로 파악된다. 미래에는 이 별도 행성상 성운을 분출할 것으로 예측된다.

중요한 점은 위 쌍성계가 성운의 희미한 비대칭 껍질을 생성하고 있다는 점이며 개별의 가스 껍질들은 우리 태양과 같은 별이 질량을 잃으면서 생성된 산물들이라는 점이다. 가장 크고 차가운 껍질은 일찍 방출된 반면, 성운의 중심부 껍질들은 보다 최근에 방출되었다. 따라서 개별의 가스 구름 내의 분자 분포는 별의 진화 역사에 대해서 이해하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 쌍성계를 둘러싸고 있는 파란색의 비대칭 웅덩이는 별의 뜨거운 표면에 의해서 쉽게 영향을 받고 있다.

 

결과 해석 ⑤ : 행성상 성운, 백색왜성, 그리고 동반성만 촬영된 것은 아니다

제임스 웹 우주망원경은 행성상 성운뿐 아니라 다른 천체들도 자세히 촬영해 냈다. 근적외선 촬영 이미지에서 투명한 빨간색 부분과 그 밖의 대부분 영역은 멀리 떨어져 있는 은하로 가득 차 있다. 또한, 근적외선 이미지의 왼쪽 상단에서 작지만 밝은 직선은, 별빛이 아니고 멀리서 촬영된 은하계를 나타낸다. 이는 중적외선 이미지에서도 정확히 포착되었다.

이번 촬영에서는 행성상 성운뿐 아니라, 매우 다양한 모습과 색상의 은하계가 포착되었다. ⓒ JWST, ESA, CSA, STScI

이 외에도 매우 다양한 모습과 색상의 은하계가 포착되었는데, 먼지가 많거나 멀리 떨어져 있을수록 붉은 색깔을 띠고 있다. 참고로, 여러 색 빛의 점 대부분은 별이 아니라 은하이다.

 

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