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우주 이야기 1469 - 주변으로 탄소가 풍부한 먼지를 방출하는 거대 별



 (A portion of Webb’s 2023 observation of Wolf-Rayet 140. Credits: Image: NASA, ESA, CSA, STScI; Science: Emma Lieb (University of Denver), Ryan Lau (NSF NOIRLab), Jennifer Hoffman (University of Denver))

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(Image A: Compare Observations of Wolf-Rayet 140 (MIRI Images). Two mid-infrared images from NASA’s James Webb Space Telescope of Wolf-Rayet 140 show carbon-rich dust moving in space. At right, the two triangles from the main images are matched up to show how much difference 14 months makes: The dust is racing away from the central stars at almost 1% the speed of light. These stars are 5,000 light-years away in our own Milky Way galaxy. Credit: Image: NASA, ESA, CSA, STScI; Science: Emma Lieb (University of Denver), Ryan Lau (NSF NOIRLab), Jennifer Hoffman (University of Denver))

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(This video alternates between two mid-infrared light observations from NASA’s James Webb Space Telescope of Wolf-Rayet 140. Over only 14 months, Webb showed the dust in the system has expanded. This two-star system has sent out more than 17 shells of dust over 130 years. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI.; Science: Emma Lieb (University of Denver), Ryan Lau (NSF NOIRLab), Jennifer Hoffman (University of Denver))

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(Stars’ Orbits in Wolf-Rayet 140 (Visualization). When the two massive stars in Wolf-Rayet 140 swing past one another, their winds collide, material compresses, and carbon-rich dust forms. The stronger winds of the hotter star in the Wolf-Rayet system blow behind its slightly cooler (but still hot) companion. The stars create dust for several months in every eight-year orbit. Credit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI))

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제임스 웹 우주 망원경이 주변으로 탄소가 풍부한 먼지를 양파처럼 여려 겹으로 뿜어내는 과정을 상세히 관측했습니다. 초기 우주에는 수소와 헬륨만 존재했고 그보다 무거운 원소는 거의 존재하지 않았습니다. 우리 몸과 지구를 구성하는 무거운 원소들은 별의 핵융합 과정 및 초신성 폭발의 결과로 만들어진 것입니다.

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하지만 별의 잔해가 모여 행성이 되었다는 설명은 사실 지나치게 단순한 이야기입니다. 별이 죽으면 중심부에 있던 무거운 원소들이 뭉쳐 백색왜성, 중성자별, 블랙홀을 남기기 때문입니다. 무거운 원소들이 여기에 흡수되면 당연히 행성을 형성할 수 없습니다. 과학자들은 무거운 원소들이 어떻게 우주 공간에 뿌려지는지 연구해왔습니다.

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미국 덴버 대학의 엠마 리에브 (Emma Lieb, a doctoral student at the University of Denver in Colorado)과 제니퍼 호프만 (Jennifer Hoffman) 교수는 올프 레이예 140 (Wolf-Rayet 140)에서 이 질문에 대한 해답 중 하나를 찾았습니다.

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울프 레이예 별은 우주에서 가장 뜨거운 별로 아주 무거운 별이 엄청난 핵융합 반응으로 극도로 뜨거워 진후 주변으로 강력한 항성풍을 내뿜에 내부 층이 노출된 별입니다.

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울프 레이예 140은 사실 두 개의 울프 레이예 별로 된 쌍성계로 긴 타원 궤도를 돌고 있습니다. 그리고 가까이 다가갈 때마다 동반성의 중력에 의해 더 많은 물질이 끌려 나온 후 두 별에서 나오는 강력한 항성풍이 합쳐져 주변으로 가스와 먼지를 엄청난 속도로 방출합니다. 그 속도는 광속의 1%에 달하는 초속 2600km에 달합니다.

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연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 관측 장치를 이용해 14개월에 걸처 양파 같은 먼지 층을 관측했습니다. 그 결과 비교적 짧은 시간에도 변화를 관측할 수 있었습니다. (영상, 사진) 총 17개의 먼지 층은 130년간 형성된 것으로 거대 별이 초신성 폭발을 일으키기 전에 어떻게 주변으로 탄소 같이 중요한 원소가 풍부한 먼지를 주변으로 방출하는지 잘 보여주고 있습니다.

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어쩌면 우리 몸을 구성하는 탄소 중 일부도 이런 울프 레이예 별에서 나왔을지 모른다고 생각하면 정말 신비한 모습이 아닐 수 없습니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-01-webb-carbon-rich-shells-star.html

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Emma P. Lieb et al, Dynamic Imprints of Colliding-wind Dust Formation from WR 140, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ad9aa9

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