요약:
매사추세츠 공과대학(MIT)이 이끄는 국제 연구팀이 희귀한 쌍성계를 발견했습니다. 지구에서 약 300광년 떨어진 저질량 별이 천천히 동반성으로부터 물질을 흡수하고 있는 것입니다. 이 과정은 이전에 관찰된 별이 행성을 빠르게 삼키는 현상과는 다르지만 수십억 년 동안 지속될 수 있는 장기적이고 안정적인 질량 이동입니다.
이 시스템은 ZTF J0440+2325로 명명되었으며 은하수에 위치해 있습니다. 시스템의 두 구성원은 서로 매우 가까워서 87분마다 궤도를 완료합니다. 더 가벼운 물체는 갈색 왜성으로 목성 질량의 약 25배이다. 다른 별은 목성의 질량의 약 85배입니다. 둘 다 저질량 물체이며, 갈색왜성의 전체 궤도는 태양의 직경 안에 들어갈 수도 있습니다.
전통적인 관측에 따르면 대부분의 행성은 안정된 궤도에서 자신의 별을 공전하고 있으며, 너무 가까워진 행성을 별이 빠르게 삼키는 경우는 소수에 불과합니다. 이 발견은 완전히 새로운 진화 방식을 보여줍니다. 연구자들은 Nature Astronomy 저널에 발표된 논문에서 인간이 저질량 별을 직접 관찰하여 다른 저질량 천체로부터 물질을 지속적이고 안정적으로 획득한 것은 이번이 처음이라고 지적했습니다.
이 발견은 원래 몇 년 전 특이한 관찰에서 비롯되었습니다. MIT 물리학과 부교수 Kevin Birch는 ZTF(Zwicky Transient Survey)의 관측 데이터를 조사하는 동안 비정상적인 밝기 곡선을 발견했습니다. 초신성 폭발에서 흔히 볼 수 있는 종 모양의 밝기 곡선 대신 이 표적은 반복되는 삼각형 변동을 나타냅니다.
당시 연구팀은 '블랙 위도우 바이너리'라는 또 다른 시스템을 연구하고 있었습니다. 그러한 시스템에서 밀도가 높고 빠르게 회전하는 중성자별은 점차적으로 덜 질량이 큰 동반별을 먹어치울 것입니다. 그러나 새로 발견된 표적의 관찰된 특성은 블랙 위도우 바이너리의 특성과 일치하지 않습니다. 이론에 따르면 흑과부쌍성은 뚜렷한 왕복운동효과를 보여야 하지만 관측 결과에서는 이러한 현상이 나타나지 않아 연구자들은 한동안 그 정체를 설명할 수 없었다.
최근 몇 년 동안 Burch와 MIT 대학원생 Aaron Houseer는 이 신비한 신호를 재검토했습니다. 그들은 추측을 내놓았습니다. 시스템의 전체 질량이 더 낮으면 두 천체 사이의 궤도 운동이 더 부드러워지고 격렬한 진동이 없을 것입니다. 이 아이디어를 검증하기 위해 연구팀은 여러 개의 망원경을 사용하여 대상에 대한 후속 관찰을 수행했습니다.
관찰 결과 시스템에 약간이지만 측정 가능한 흔들림이 있는 것으로 나타났습니다. 연구진은 기존의 쌍성계와의 비교 분석을 통해 중성자별이 없다는 사실을 확인했다. 궁극적으로 그들은 이것이 저질량 별과 갈색 왜성으로 구성된 쌍성계이며 그 진동이 너무 작아서 다른 유형의 물체에 의해 발생하지 않는다는 결론을 내렸습니다.
연구팀은 두 천체의 질량과 궤도 매개변수를 파악한 뒤 물질 이동 현상이 있는지 추가로 연구했다. 정상적인 상황에서 강착 과정은 블랙홀이나 중성자별과 같은 소형 물체에서 가장 흔하며, 이들의 강한 중력으로 인해 동반성 물질이 서로 끌어당겨 강착 원반을 형성하게 됩니다.
그러나 이 시스템에서 부착자는 아주 작은 블랙홀이 아니라 상대적으로 실제 크기가 큰 별이다. 연구자들은 갈색 왜성 표면의 물질 입자의 움직임을 추적하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했으며, 그 결과 이러한 물질이 일반적인 강착 원반을 형성하는 대신 별 표면에 직접 떨어지는 것으로 나타났습니다.
시뮬레이션을 통해 저질량 별이 다른 저질량 물체로부터 물질을 적극적으로 흡수하는 것으로 밝혀진 것은 이번이 처음이라는 사실도 확인되었습니다. 연구원들은 떨어지는 물질이 소행성이 달에 충돌하는 것과 유사한 과정인 매우 빠른 속도로 별 표면에 충돌할 것이라고 설명했습니다.
이러한 지속적인 충격은 원래 발견된 삼각형 밝기 곡선을 설명하기도 합니다. 갈색 왜성이 별의 궤도를 돌 때, 떨어지는 물질로 인해 형성된 고온 핫스팟이 시야에 주기적으로 나타납니다. 핫스팟이 지구를 향하면 밝기가 최고조에 도달하여 규칙적인 삼각형 파형을 형성합니다.
연구팀은 갈색 왜성이 매년 별에 전달하는 질량이 지구 질량의 약 10만분의 1에 해당하는 것으로 추정합니다. 환산하면 이는 초당 약 4천만 대의 대형 덤프트럭의 자재 흐름, 또는 초당 약 1조 3천억 개의 1파운드 부리토에 해당하는 질량에 해당합니다.
이 값은 놀랍게 보이지만, 이 손실률은 갈색 왜성 자체의 거대한 질량에 비해 여전히 매우 느립니다. 따라서 연구자들은 이 "먹는" 과정이 빨리 끝나지 않고 매우 오랜 시간 동안 계속될 수 있다고 믿습니다.
연구원들은 별, 행성, 갈색 왜성 사이의 상호 작용에 대한 사람들의 이전 이해는 일반적으로 별이 결국 후자를 완전히 삼켜버릴 것이라는 점을 지적했습니다. 예를 들어, 미래에 태양이 적색거성으로 진화한다면 지구도 그러한 운명에 직면하게 될 가능성이 높습니다. 그러나 ZTF J0440+2325는 또 다른 가능성을 보여줍니다. 별이 반드시 동반성을 한꺼번에 삼키는 것은 아니지만 길고 안정적인 방식으로 점진적으로 동반성을 "잠식"할 수 있으며 이 과정을 수십억 년 동안 계속할 수 있습니다.
삼각형의 밝기 변화에 대한 미스터리가 성공적으로 해결됨에 따라 연구팀은 더 유사한 시스템을 찾을 계획입니다. 그들은 이것을 사용하여 행성, 갈색 왜성 및 호스트 별 사이의 가능한 새로운 상호 작용 메커니즘을 더 깊이 이해하고 항성 진화 과정에 대한 인간의 이해를 심화시키기를 희망합니다.
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