Accurate proper motions of the protostellar system VLA1623-2417

밤하늘을 정적인 그림이 아니라, 별들이 태어나고 회전하며 때로는 서로 충돌하기도 하는 북적이는 우주의 댄스 플로어로 상상해 보십시오. 이러한 항성 가족들이 어떻게 형성되고 진화하는지 이해하기 위해, 천문학자들은 놀라운 정밀도로 그들의 움직임을 추적해야 합니다. 이것은 바로 아스트로메트리(astrometry, 천체측정학), 즉 하늘에서 사물들이 정확히 어디에 있고 얼마나 빨리 움직이는지를 측정하는 기술입니다. 이는 마치 몇 년 간격의 위치 스냅샷을 찍어 고속도로 위의 두 자동차가 서로를 향해 달려오고 있는지, 서로 멀어지고 있는지, 아니면 그저 같은 차선을 따라 주행 중인지를 파해치는 것과 같습니다. 가장 어리고 숨겨져 있는 아기 별들인 '원시별(protostars)'의 경우, 이 작업은 특히 까다로운데, 왜냐로 이들은 가시광선을 차단하는 두꺼운 먼지 담요에 싸여 있기 때문입니다. 이 안개를 뚫고 보기 위해 천문학자들은 이 아기 별들이 방출하는 라디오파를 듣는 초강력 눈 역할을 하는 거대한 전파 망원경을 사용합니다. 수십 년에 걸쳐 이러한 미세한 움직임을 추적함으로써, 과학자들은 별들을 서로 끌어당기거나 튕겨내는 중력과 같은 보이지 않는 힘을 파악할 수 있으며, 이는 우리 태양이 한때 살았을지도 모르는 혼돈스러운 요람을 이해하는 데 도움을 줍니다.

새로운 연구에서 한 팀의 천문학자들이 VLA 1623–2417이라는 유명한 우주 가족을 면밀히 살펴보았습니다. 이것은 단순한 하나의 아기 별이 아닙니다. 이는 네 개의 뚜렷한 구성 요소가 좁은 중력의 탱고를 추는 복잡한 사중성계입니다. 이 시스템은 오피우키 A 코어(Ophiuchi A core)라고 알려진 가스와 먼지 구름 속, 약 137.3 파섹(약 448 광년) 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 이 가족은 서로 밀접하게 궤도를 도는 쌍성 쌍(Aa와 Ab), 이들을 일정 거리에서 공전하는 세 번째 별(B), 그리고 서쪽으로 조금 더 떨어져 있는 네 번째 구성원(W)으로 구성됩니다.

리카르도 에르난데스 가르니카(Ricardo Hernández Garnica)가 이끄는 연구진은 방대한 데이터 아카이브를 활용해 탐정 놀이를 하기로 했습니다. 그들은 VLA(Very Large Array)와 ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 비롯하여 SMA 및 BIMA 배열의 오래된 데이터를 포함해, 약 34.5년에 걸쳐 촬영된 37개의 서로 다른 관측 데이터를 수집했습니다. 이 스냅샷들을 하나로 엮음으로써, 그들은 시스템의 움직임에 대한 고해상도 영화를 만들어냈고, 이를 통해 각 별이 하늘을 가로질러 움직이는 실제 속도와 방향인 '고유 운동(proper motions)'을 전례 없는 정확도로 측정할 수 있었습니다.

연구 결과는 다음과 같으며, 가족 구성원별로 나누어 설명합니다:

밀접한 커플 (Aa와 Ab)
가장 안쪽의 쌍인 Aa와 Ab는 약 30 천문 단위(au)의 간격으로 떨어져 있는데, 이는 우리 태양계 전체 크기와 맞먹는 거리입니다. 연구 결과, 이들은 확실히 서로를 공전하고 있습니다. 하지만 연구팀은 이 특정 쌍에 대해 약 11년치의 데이터만을 보유했기 때문에, 이들의 궤도 중 아주 작은 조각만을 포착했습니다(마치 차가 집 앞을 지나가는 것을 10초 동안 지켜보고 전체 한 바퀴의 시간을 예측하려는 것과 같습니다). 이들은 별들이 움직이는 것은 볼 수 있지만, 아직 별의 정확한 질량이나 궤도의 전체 형태를 완전히 확신하며 계산할 수는 없습니다. 데이터는 이들이 서로 멀어지고 있음을 시사하지만, 궤도 주기(추정치 약 400~500년)가 너무 길기 때문에 11년은 우주의 시간 속에서 그저 눈 깜빡임에 불과합니다.

중간 형제 (B)
별 B는 약 300 au의 거리에서 Aa/Ab 쌍을 공전하는 중간 자식입니다. 연구팀은 34.5년이라는 긴 시간 동안 B를 추적했습니다. 그들의 측정값은 B가 Aa/Ab 쌍을 향해 천천히 다가오고 있음을 보여줍니다. 이러한 안쪽 방향의 움직임은 B가 안쪽 쌍과 중력적으로 묶여 있음을 확인시켜 줍니다. 즉, 이들은 단순히 지나가는 낯선 이가 아니라 진정한 가족 단위입니다. 수학적 계산에 따르면 A/B 시스템 전체의 총 질량은 태양 질량의 약 2배입니다.

외톨이 (W)
가장 흥리로운 발견은 메인 그룹에서 약 10 초각(약 1,400 au) 떨어져 있는 VLA 1623–2417 W에 관한 것입니다. 오랫동안 일부 과학자들은 W가 혼돈스러운 초기 조우 과정에서 중력 슬링샷에 의해 격렬하게 튕겨 나간 '도망자(runaway)' 별일지도 모른다고 생각했습니다.

새로운 데이터는 이 가설을 완전히 배제합니다. 32.5년에 걸친 W의 움직임을 측정한 결과, 연구팀은 W가 A/B 시스템을 향해 초속 1~2 킬로미터의 속도로 실제로 다가오고 있다는 사실을 발견했습니다. 만약 W가 튕겨 나간 것이라면, 돌아오는 것이 아니라 멀어져 가고 있어야 합니다. 그렇다면 W는 무엇을 하고 있는 걸까요? 저자들은 두 가지 가능성을 제시합니다. W가 애초에 이 가족의 일원이 아니며 단지 같은 일반적인 방향으로 움직이는 이웃일 뿐이거나, 혹은 현재 다른 구성원들에게 가까워지는 매우 기묘하고 높게 기울어진 궤도를 가진 가족 구성원이라는 것입니다.

한쪽 방향의 제트?
연구진은 또한 별 W 주변에서 이상한 점을 발견했습니다. 일부 라디오 이미지에서 W의 원반에 수직인 방향으로 서쪽을 향해 뻗어 있는 희미한 물질의 '꼬리'가 보입니다. 이것은 가스 제트가 뿜어져 나오는 것처럼 보이지만, 오직 한 방향으로만 나타납니다. 보통 제트는 양극에서 양방향으로 뿜어져 나오는 양방향 분수와 같습니다. 저자들은 W가 아마도 한쪽을 무언가가 막고 있기 때문에 '한쪽 방향 제트'를 일으키고 있을 가능성을 제기하지만, 확신하기 위해서는 더 민감한 망원경이 필요하다고 인정했습니다.

결론
이 논문은 단순히 더 나은 수치를 제공하는 것에 그치지 않고, 이 가족이 어떻게 행동하는지에 대한 이야기를 바꿉니다. 이는 W에 대한 '도망자' 이론이 틀렸음을 입증합니다. 또한 내부의 세 별(Aa, Ab, B)이 묶여 있는 중력 시스템임을 확인해 줍니다. 비록 더 오랜 시간 관찰해야 하기에 내부 쌍성(Aa/Ab)의 정확한 질량을 아직 해결할 수는 없지만, 이 연구는 그들의 움직임에 대한 가장 정확한 지도를 제공합니다.

저자들은 W의 방향에 대한 미스터리는 풀었지만, 내부 쌍성의 전체 궤도 댄스는 여전히 미래의 과제로 남아 있다는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 그들은 SKA나 ngVLA와 같은 차세대 망원경으로부터 더 많은 데이터를 얻게 된다면, 마침내 이 아기 별들의 무게를 완벽하게 달고 그들이 정확히 어떻게 형성되었는지 이해할 수 있을 것이라고 제안합니다. 현재로서는, 우리는 VLA 1623–2417이 '추방자'가 사실은 집으로 돌아오고 있거나, 적어도 같은 방향으로 걸어오고 있는 안정적이고 상호작용하는 가족이라는 것을 알고 있습니다.