모든 별의 절반 이상이 다중성계의 구성원으로 태어나지만, 다중성 형성 과정은 잘 알려져 있지 않습니다. 따라서 다중별 형성 메커니즘의 미스터리를 푸는 것은 포괄적인 별 형성 이론을 확립하는 데 매우 중요합니다. 지금까지 다중별 형성에 대한 여러 시나리오가 제안되었으며, 형성 시나리오에 대한 논의는 아직 수렴되지 않았습니다.
세 명의 프로토스타 IRAS 04239+2436의 예술적 감상. 출처: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)
다중별의 형성 과정을 이해하려면 ALMA와 같은 고해상도, 고감도 장비를 사용해 다중 원시성(형성 과정에 있는 별)이 탄생하는 순간을 직접 관찰하는 것이 필요하다. 또한, 최근 원시별을 관측한 결과 원시별을 향한 가스의 흐름인 "유선"이라는 가스 구조가 종종 보고되었습니다.
이러한 유선형을 관찰하는 것은 원시별이 어떻게 가스를 흡수하고 성장했는지 보여주기 때문에 중요하지만, 현재 이러한 유선형이 어떻게 형성되었는지는 불분명합니다. 다성계에서 원시성 주변의 가스 흐름은 복잡한 구조를 가질 것으로 예상되므로 ALMA의 고해상도를 사용한 상세한 관찰은 가스 흐름의 기원을 연구하는 강력한 도구입니다.
삼항 원시성 IRAS04239+2436 주위의 가스 분포, (왼쪽) ALMA가 관찰한 SO 방출, (오른쪽) 슈퍼컴퓨터 ATERUI를 통한 수치 시뮬레이션 재현. 왼쪽 파란색으로 표시된 프로토스타 A와 B는 프로토스타를 둘러싼 먼지에서 나오는 전파를 나타냅니다. 프로토스타 A에는 해결되지 않은 두 개의 프로토스타가 존재하는 것으로 생각됩니다. 오른쪽 이미지에서 세 개의 원시별의 위치는 파란색 십자가로 표시됩니다. 출처: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), J.-E. 리탈. 리탈.
상세한 관찰과 발견
연구팀은 ALMA를 사용하여 젊은 다성계 IRAS04239+2436 주변의 일산화황(SO) 분자에서 방출되는 전파를 관찰했습니다. IRAS04239+2436은 우리로부터 약 460광년 떨어져 있는 3개의 원시성으로 구성된 "3원 원시성계"입니다. 연구팀은 충격파가 발생하는 지역에서 SO2 분자를 감지하고, 원시별 주변의 격렬한 가스 움직임을 볼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 관측 결과, 원시별의 약 3배 정도에 해당하는 SO 분자를 검출했고, SO 분자의 분포가 최대 400천문단위까지 뻗어나가는 큰 나선팔을 형성하고 있음을 발견했다. 또한 도플러 효과로 인한 전파의 주파수 이동을 기반으로 SO 분자를 포함하는 가스의 속도를 성공적으로 얻었습니다.
가스 운동 분석을 바탕으로 그들은 SO 분자가 추적한 나선 팔이 실제로 삼중 원시성으로 흐르는 유선형임을 발견했습니다. "ALMA 이미지의 가장 심오한 특징은 SO 방사선에서 크고 잘 정의된 다중 팔 구조를 감지하는 것입니다"라고 Li는 발견의 중요성을 설명했습니다. "나의 첫인상은 이 구조들이 함께 춤을 추며 중심 원시성계 주위를 회전하고 있다는 것이었지만 나중에 우리는 나선형 팔이 작은 별들에게 먹이를 주는 물질의 통로라는 것을 발견했습니다."
슈퍼컴퓨터 "ATERUI"는 다중 별 형성을 시뮬레이션합니다. 영화는 여러 개의 원시별이 필라멘트 난류 가스 구름에서 태어나 나선형 팔을 자극하고 움직일 때 주변 가스를 교란시키는 것을 보여줍니다. 출처 : Tomaki Matsumoto, Takaaki Takeda, 4D2U 프로젝트, 일본 국립 천문대
의미 및 비교 분석
가스 이동을 더 연구하기 위해 연구팀은 이번 관찰에서 얻은 가스 속도를 수치 시뮬레이션에서 얻은 속도와 비교했습니다. 이번 시뮬레이션은 일본 국립천문대 전산천체물리학센터의 천문학 전용 슈퍼컴퓨터 'ATERUI'와 'ATERUIII'를 사용해 수행됐다. 시뮬레이션에서는 가스 구름 속에 3개의 원시별이 형성되었고, 3개의 원시별 주변의 교란된 가스는 나선형 팔 형태의 충격파를 자극했습니다.
이번 연구의 수치 시뮬레이션을 주도한 마츠모토는 "나선팔은 3개의 원시별을 향한 가스 흐름을 보여준다는 것을 발견했습니다. 이는 원시별에 가스를 공급하는 유선형입니다"라고 말했습니다. "모의된 가스 속도는 관측값과 잘 일치하며, 수치 시뮬레이션이 실제로 유선의 기원을 설명할 수 있음을 보여줍니다."
다중별 형성을 위한 하이브리드 방식
연구팀은 관측 데이터와 수치 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 이 삼중 원시성이 어떻게 탄생했는지 연구했다. 지금까지 다중 별 형성에는 두 가지 옵션이 있습니다. 첫 번째는 난류 가스 구름이 가스 응축물로 파편화되고 각 응축물이 원시성으로 진화하는 "난류 파편화 시나리오"입니다. 두 번째는 '원반 단편화 시나리오'로, 원시별 주위의 가스 원반이 파편화되어 새로운 원시성을 형성하고, 이를 통해 여러 개의 별이 생성되는 시나리오입니다.
여기서 관찰된 원시별의 삼중화는 별 형성 과정이 난류 파편화 시나리오와 유사한 난류 원시 가스 구름으로 시작되고, 그런 다음 원반 파편화 시나리오와 유사하게 원반에서 새로운 원시별 씨앗이 생성되고, 주변 가스 난류로 인해 나선팔이 넓게 확장되는 하이브리드 시나리오로 설명될 수 있습니다. 이번 관측은 시뮬레이션과 매우 유사해 관측된 삼중항 원시성이 혼합 방식을 통해 다중 별을 형성한 것으로 확인된 최초의 천체임을 암시한다.
마츠모토는 "원시성과 유성의 기원이 동시에 포괄적으로 밝혀진 것은 이번이 처음이다. ALMA 관측과 시뮬레이션의 결합은 별 형성의 비밀을 밝히는 강력한 도구"라고 말했다.
행성 형성과 미래 연구에 대한 시사점
Li는 이번 연구가 다중성계에서 행성 형성의 어려움을 밝혀준다고 믿습니다. 그녀는 "행성은 원시성 주위에 형성된 가스와 먼지의 원반에서 탄생합니다. 이 3개의 원시성계에서 원시성은 작은 지역에 위치하고, 원시성 주위의 원반은 작으며, 원시성을 공전하는 원시성은 다른 원시성으로부터 원반을 벗겨냅니다. 행성은 장기적으로 조용한 환경에서 형성됩니다. 따라서 IRAS04239+2436은 행성 형성에 도움이 되는 환경이 아닐 가능성이 높습니다."
마츠모토는 다중 별 형성에 대한 이해에 대한 이 연구가 갖는 의미에 대해 논의합니다. "혼합 방식을 통해 형성되는 다중성계의 실제 관찰은 다중성 형성 방식에 대한 논쟁을 해결하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 더욱이 이 연구는 최근에 주목되는 유선형의 존재를 확인할 뿐만 아니라 그것이 어떻게 형성되는지 설명하여 큰 진전을 이룹니다."
이정은 등은 천체물리학저널(Asphysical Journal)에 게재된 '분자선으로 이미지화한 삼중 원시성계의 삼중 나선팔의 삼중 나선팔' 논문에서 이번 연구를 소개했다.