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우주 이야기 1365 - 역대 가장 작은 갈색왜성을 포착한 제임스 웹 우주 망원경



 (This image from the NIRCam (Near-Infrared Camera) instrument on the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope shows the central portion of the star cluster IC 348. Astronomers combed the cluster in search of tiny, free-floating brown dwarfs: objects too small to be stars but larger than most planets. They found three brown dwarfs that are less than eight times the mass of Jupiter. The smallest weighs just three to four times as much as Jupiter, challenging theories for star formation. The wispy curtains filling the image are interstellar material reflecting the light from the cluster's stars—what is known as a reflection nebula. The material also includes carbon-containing molecules known as polycyclic aromatic hydrocarbons, or PAHs. The bright star closest to the center of the frame is actually a pair of type B stars in a binary system, the most massive stars in the cluster. Winds from these stars may help sculpt the large loop seen on the right side of the field of view. Credit: The Astronomical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-3881/ad00b7)

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(Image of a star cluster and nebula, with three image details pulled out in square boxes stacked vertically along the right. Main image is showing wispy pink-purple filaments and a scattering of stars. Each of the three boxes along the right corresponds to a small detail, numbered and circled, in the main image. Box 1 (top): A detail from the lower left of the main image shows a pair of small circular pinkish-white spots on a yellowish-brown background. Box 2 (middle): A detail from the middle of the lower part of the main image shows a single small circular pinkish spot on a yellowish-brown background. Box 3: A detail from the lower right edge of the main image shows a small circular pinkish spot on a dark brown background. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, and K. Luhman (Penn State University) and C. Alves de Oliveira (European Space Agency))

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갈색왜성(brown dwarf)는 실패한 별이라는 별명이 붙어 있습니다. 대략 목성 질량의 80배에서 13배 사이 질량을 지녀 중수소나 삼중수소를 이용한 약한 핵융합 반응은 가능하지만 일반적인 수소 핵융합 반응이 가능한 중심 압력과 온도를 만들 수 없기 때문입니다. 따라서 작고 어두운 천체로 망원경에도 쉽게 포착되지 않습니다.

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물론 제임스 웹 우주 망원경은 이런 어두운 천체를 찾아내는데 가장 강력한 도구가 될 수 있습니다. 펜실베니아 주립 대학의 케빈 루만 (Kevin Luhman of Pennsylvania State University)이 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경을 이용해 지구에서 1000광년 정도 떨어진 성단인 IC348에서 아주 작은 갈색왜성 3개를 포착했습니다. 표면 온도와 스펙트럼 분석은 표면 온도가 섭씨 830-1500도 사이인 어두운 천체라는 점을 보여줬습니다.

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여기까지는 놀라운 일이 아니지만, 갈색왜성의 질량은 과학자들을 놀라게 했습니다. 연구팀의 컴퓨터 모델에 따르면 이 갈색왜성의 질량은 목성의 3-8배 사이에 불과했습니다. 그리고 가장 작은 경우 목성의 3-4배에 불과하다는 결론이 나왔습니다. 이 갈색왜성의 질량은 갈색왜성에 대한 기존 이론에 도전이라고 할 수 있습니다. 어쩌면 행성과 갈색왜성 사이의 경계에 있는 천체인지도 모르지만, 자세한 내용을 알아내기 위해서 더 많은 연구가 필요합니다.

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이 기이한 미니 갈색왜성의 생성 과정 역시 미스터리입니다. 이 갈색왜성은 모두 다른 별 주변을 공전하지 않고 자유롭게 떠 다니고 있는데, 가스가 뭉쳐서 이런 천체를 형성하기에는 중력이 너무 낮다는 문제점이 있습니다. 다른 대안적 가설은 본래 다른 별 주변을 공전하던 행성이다가 튕겨져 나왔다는 것인데, 연구팀은 이 가능성은 낮게 보고 있습니다. 왜냐하면 이 성단이 생성된지 500만년에 불과해 이정도 크기 행성이 형성된 후 튕겨져 나오기에는 시간이 너무 짧고 질량도 너무 크기 때문입니다.

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아무튼 이런 미스터리 천체의 발견은 과학자들에게 흥분되는 일이라고 할 수 있습니다. 앞으로 추가 관측을 통해 어떤 사실이 밝혀질지 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-12-webb-tiniest-free-floating-brown-dwarf.html

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K. L. Luhman et al, A JWST Survey for Planetary Mass Brown Dwarfs in IC 348*, The Astronomical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-3881/ad00b7

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