고양이 눈 성운의 관측 역사

고양이 눈 성운 성운에 대해 들어보신 적 있으신가요? 고양이 눈 성운(Cat's Eye Nebula, NGC 6543)이란 용자리에 있는 행성상 성운을 말합니다. 이 성운은 지금까지 알려진 성운 중 구조가 매우 복잡한 성운 중 하나로 알려져 있습니다. 고양이 눈의 중심에는 밝고 뜨거운 항성이 있는 것으로 관찰됩니다. 이 별은 약 1000년 전에 자신의 겉면을 날려버리고 성운을 형성한 것으로 밝혀졌습니다. 이처럼 허블 우주 망원경을 이용한 고해상도 촬영 덕분에 매듭·제트·거품·원호 모양 등 연구할만한 가치가 있는 구조들이 발견되었습니다. 


성운의 각도 확장을 이용하여 성운의 나이를 추정하는 것이 가능합니다. 성운이 1년에 10 밀리초 각의 일정한 비율로 퍼져나가고 있다면 성운 직경이 20 조각에 도달하기까지는 약 1000 ± 260광년이 걸릴 것입니다. 아마 이때쯤에 뿜어져 나온 물질들이 성간물질 및 별의 진화 과정 초기에 뿜어져 나온 물질들과 충돌하여 속도가 느려져, 성운 나이의 상한 나이일 것으로 추측합니다. 

 

사진출처: 위키피디아

고양이 눈 성운의 발견

고양이 눈 성운은 1786년 2월 15일에 윌리엄 허셜이 최초로 발견했습니다. 허셜은 성운의 모양을 행성 원반에 빗대어 표현하였습니다. 선구자적 분광학자 윌리엄 허긴스가 1864년 8월 29일에 분광기로 관측한 최초의 성운이기도 합니다. 허긴스는 행성상 성운이 극히 희박한 기체들로 이루어졌다는 최초의 증거를 밝혀냈습니다. 성운의 스펙트럼은 비연속적이었고 몇 개의 밝은 선으로만 이루어져 있었기 때문입니다. 이러한 초기 연구 이후, NGC 6543은 전자기 스펙트럼 범위에서도 관측이 이루어지기 시작했습니다. 

 

1. 적외선 관측

 

원적외선 파장(약 60μm)에서 NGC 6543을 관측한 결과 저온의 성간 먼지의 존재가 밝혀졌습니다. 먼지는 중심별에서 나온 빛을 흡수하여 다시 적외선 파장으로 방출하고 있습니다. 이 먼지는 중심별의 생애 마지막 단계에서 형성된 것으로 추측하고 있습니다. 이런 먼지에서 적외선 방출의 스펙트럼은 먼지의 온도가 대략 85K라는 흥미로운 사실을 의미합니다. 먼지의 질량은 약 6.4 × 10−4태양질량 정도로 예측합니다. 

또한 적외선 방출은 수소 분자(H2)나 아르곤 같은 이온화되지 않은 물질의 존재를 나타냅니다. NGC 6543의 수소 분자 방출은 외부 헤일로의 안쪽 가장자리에서 밝은 것으로 보입니다. 아마 이것은 충격파가 H2를 들뜬상태로 만들어 각기 다른 속도로 산란시키는 것이 원인인 것 같습니다. 원래는 많은 행성상 성운에서, 중심별에서 멀리 떨어진 곳에서 보다 많은 물질들이 이온화되지 않습니다. 그래서 분자 방출은 이런 위치에서 가장 세다고 알려져 있습니다. 적외선 대역(파장 2–8μm)에서 고양이 눈 성운의 전체적인 외관은 가시광선에서 보이는 것과 비슷합니다. 

 

2. 가시광선과 자외선 관측

 

NGC 6543은 자외선과 가시광선 파장에서 널리 관측되고 있습니다. 이 파장에서의 분광 관측은 원소의 함량비를 측정하는 데 유용하게 쓰이고 있습니다. 그리고 이 파장에서의 이미지는 성운의 복잡한 구조를 밝히는 데 큰 도움을 주었습니다.

허블 우주 망원경은 이온화 수치가 높고 낮은 지역을 강조하기 위한 위색(僞色, false colour) 사진을 촬영했습니다. 빛을 필터로 분리한 세 장의 사진을 촬영했습니다. 이 사진에서, 성운의 가장자리에 이온화된 물질이 적은 두 개의 ‘뚜껑’ (caps) 구조가 있는 것을 분명하게 확인할 수 있었습니다. 각 스펙트럼의 파장은 전자 하나를 잃은 수소는 656.3 nm, 전자 하나를 잃은 질소는 658.4 nm, 전자 둘을 잃은 산소는 500.7 nm입니다. 각각 적색, 녹색, 청색의 세 채널이 결합하여 만들어졌지만, 실제 색상은 적색과 녹색으로 밝혀졌습니다. 

 

3. 엑스선 관측

 

찬드라 엑스선 우주 망원경이 최근 엑스선 파장에서 NGC 6543을 관측한 결과 새로운 사실을 발견했습니다. 성운 안에 1.7 × 106K에 달하는 극히 뜨거운 가스가 존재한다는 흥미로운 사실입니다. 뜨거운 가스는 빠른 항성풍과 이전에 분출된 물질들의 격렬한 상호작용의 결과인 것으로 추측하고 있습니다. 이 상호작용은 성운 안쪽을 뚫고 들어가 거품을 만들었습니다.

또한, 찬드라의 관측은 중심별 위치의 점광원도 찾아내는 놀라운 성과를 이끌었습니다. 이 점광원의 스펙트럼은 0.5–1.0 keV의 경엑스선 스펙트럼까지 확장되어 있습니다. 약 100,000 K 온도의 광구를 가진 별이 강렬한 경엑스선을 방사하는 것으로 추측되지는 않습니다. 이 경엑스선의 존재는 아직 밝혀내지 못했습니다. 이 경엑스선은 아마도 연성계 구조 내에 있는 고온의 착증 디스크의 존재를 의미하는 것인지도 모른다고 추측하는 연구자들도 있습니다.

고양이 눈 성운의 과제

현대의 연구에서도 여전히 여러 가지 밝혀야 할 과제들이 있습니다. 성운의 복잡한 구조 중 일부는 연성계의 중심별에서 물질이 방출되면서 만들어졌을 것으로 추측하지만, 중심별이 동반성을 가지고 있었다는 직접적 증거는 아직 나오지 않았습니다. 또한, 각각 다른 두 가지 방법으로 화학 원소 함량비를 측정했을 때 두 결과 사이에 큰 불일치가 나타났는데, 이 불일치의 이유도 밝혀지지 않았습니다. 허블 망원경의 관측에서는 오래전에 중심별에서 분출된 구형의 껍질이 고양이 눈 모양 주위로 다수의 희미한 고리 구조를 이루는 것이 관찰되었으나, 이런 분출이 어떻게 이루어지는지 정확한 메커니즘 역시 밝혀지지 않았기 때문에 아직 해결해야 할 과제가 많아 보입니다.