우주 이야기 1122 - 자전 주기가 한 시간 밖에 되지 않은 갈색왜성 포착

 

(All spinning objects, from carousels to planets, generate centripetal force. If a planet rotates too fast, that force can pull it apart. Before that happens, the planet will experience “flattening,” or bulging around its midsection, as seen in this illustration of a brown dwarf, Jupiter, and Saturn.

Credits: NASA/JPL-Caltech)

(Brown dwarfs are more massive than most planets but not quite as massive as stars. Generally speaking, they have between 13 and 80 times the mass of Jupiter. A brown dwarf becomes a star if its core pressure gets high enough to start nuclear fusion.

Credits: NASA/JPL-Caltech)

 갈색왜성은 안정적인 수소 핵융합 반응을 일으키는데 필요한 질량이 모자라지만, 미약한 중수소 핵융합 반응은 가능한 별과 행성 사이의 중간 천체로 대략 목성 질량의 13-80배 정도 되는 천체를 의미합니다. 아마도 별보다 더 흔한 천체로 생각되지만, 매우 어둡기 때문에 관측이 까다로운 천체 중 하나입니다. 그래도 최신 관측 기술의 발전 덕분에 과학자들은 갈색왜성에 대해서 점점 많은 관측 데이터를 확보하고 있습니다. 

 캐나다 웨스턴 대학의 메간 타노크 (Megan Tannock, a Ph.D. candidate at Western University in London, Ontario)가 이끄는 연구팀은 나사의 스피처 우주 망원경을 이용해서 이제까지 관측된 것 가운데 자전 속도가 가장 빠른 갈색왜성 세 개를 관측했습니다. 

 이 갈색왜성들은 지상 망원경으로 그 존재가 확인된 것들이지만, 자전 속도를 측정하기 위해서는 적외선 관측에 특화된 스피처 우주 망원경 같은 강력한 망원경이 필요합니다. 어두운 갈색왜성의 주기적인 표면 밝기 변화를 측정하기 위해서는 매우 민감한 적외선 망원경이 필요하기 때문입니다. 과학자들은 지금까지 80여개의 갈색왜성에서 주기적인 표면 밝기 변화를 측정해 자전 속도를 측정했지만, 이번에 측정된 갈색왜성들은 자전 주기가 1시간 남짓이라는 점에서 역대 가장 빠른 자전 속도를 기록했습니다. 

 연구팀이 관측한 세 갈색왜성의 자전 속도는 적도에서 초속 100km, 혹은 시속 36만km으로 거의 비슷했습니다. 그런데 갈색왜성의 질량은 목성의 40-70배 사이로 제각각이고 표면 온도도 뜨거운 것, 중간, 차가운 것으로 제각각이었습니다. 참고로 표면 온도는 나이와 관련이 있기 때문에 연령대도 서로 다른 갈색왜성이라고 할 수 있습니다. 연구팀은 이 셋의 자전 속도가 같은 것이 아마도 갈색왜성이 부서지지 않고 유지할 수 있는 최대 자전 속도와 연관이 있을 것으로 보고 있습니다. 

(NASA Spitzer Space Telescope has identified the fastest-spinning brown dwarf known. Brown dwarfs are generally more massive than planets but not massive enough to become stars. These cosmic in-betweeners are plentiful throughout the galaxy, but many mysteries about them remain.

Credits: NASA/JPL-Caltech)

 빠른 자전 속도 덕분에 이 갈색왜성들은 적도 부근이 부풀어 올라 타원형이 되는 플래트닝 (flattening) 현상이 일어납니다. 이런 현상은 자전 주기가 10시간 이내인 목성과 토성에서도 볼 수 있지만, 갈색왜성의 질량이 목성보다 40-70배 정도 더 크기 때문에 그만큼 중력도 커서 같은 현상이 일어나기 위해서는 훨씬 빠른 자전 속도가 필요합니다. 

 다만 실제로 이 정도가 갈색왜성 자전 주기의 한계인지 아니면 더 빠른 속도로 도는 갈색왜성이 있을지는 더 많은 관측을 통해 검증해야할 필요가 있습니다. 아직은 자전 속도를 관측한 갈색왜성이 소수에 불과하기 때문입니다. 아무튼 갈색왜성처럼 큰 천체가 한 시간에 한 바퀴씩 돌 수 있다는 사실 자체로 놀라운 이야기인 것 같습니다. 

 참고 

https://www.nasa.gov/feature/jpl/trio-of-fast-spinning-brown-dwarfs-may-reveal-a-rotational-speed-limit

https://arxiv.org/abs/2103.01990