개미 성운

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1. 개요
2. 특징
3. 발견 및 연구
참조

1. 개요

개미 성운(Mz 3)은 독특하고 복잡한 형태를 가진 행성상 성운이다. 약 50 km/s의 속도로 팽창하며, 밝은 중심핵, 로브, 컬럼, 레이, 차크람으로 구성되어 있다. 일반적인 행성상 성운과 달리, 중심에는 적색 거성과 백색 왜성의 연성계가 있을 것으로 추정된다. 나비 성운(M2-9)과 비교되며, 근적외선 방출, 극 로브 형태, 시간적 변동성 등에서 차이를 보인다. 1922년 도널드 하워드 멘젤에 의해 발견되었으며, 허블 우주 망원경과 허셜 우주 망원경을 통해 연구되었다.

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개미 성운
기본 정보
허블 우주 망원경이 촬영한 Mz 3의 이미지
화명	아리 성운
영문명	Ant Nebula
위치	직각자자리
위치 정보 (J2000.0)
고유 운동 (적경)	-3.549 밀리초/년
고유 운동 (적위)	-3.914 밀리초/년
시차	0.3658
시차 오차	0.0856
거리	약 8,900 광년
관측 정보
겉보기 등급	14.0
시직경	>50″ × 12″
물리적 특성
형태	행성상 성운
거리	~8,000 광년(~2,500 파섹)
반지름	1 광년
절대 등급	+1.8
특징	3개의 중첩된 쌍극 로브
명칭
기타 명칭	ESO 225-9, Chamber of Horrors

2. 특징

개미 성운(Mz 3)은 1922년 도널드 멘젤에 의해 발견된 행성상 성운이다. 이 성운은 매우 복잡하고 독특한 쌍극 구조를 가지고 있으며, 여러 겹의 로브와 '차크람'이라 불리는 특이한 타원 구조 등으로 구성되어 있어 그 형태가 매우 인상적이다.

성운의 중심에는 공생성으로 여겨지는 백색 왜성과 적색 거성의 연성계가 존재할 가능성이 높다. 허셜 우주 관측소는 성운에서 수소 재결합선 레이저 방출이라는 강력한 적외선 레이저 방출을 감지했는데,^[5] 이는 중심에 쌍성계가 존재한다는 가설을 강력하게 뒷받침하는 증거이다.

개미 성운은 종종 나비 성운(M 2-9)과 비교된다. 두 성운 모두 허리가 잘록한 쌍극 형태와 유사한 스펙트럼을 보이는 등 공통점이 많아 비슷한 진화 과정을 거쳤을 것으로 추정된다. 하지만 근적외선 영역에서의 분자 수소(H₂) 방출 유무, 극 로브의 형태 등에서 뚜렷한 차이점도 나타난다.

2. 1. 형태

개미 성운은 밝은 중심핵과 함께 로브(lobes), 컬럼(columns), 레이(rays), 차크람(chakram)이라 불리는 4종류의 외부로 뻗어 나가는 고속 흐름으로 구성된다. 그 모습은 "2개의 구형 이중 극 로브, 2개의 바깥쪽의 큰 섬유질 모래시계 모양 컬럼, 2개의 원추형 레이, 그리고 평면 방사형으로 퍼져나가는 타원형 차크람"으로 묘사된다. 개미 성운은 3쌍의 겹쳐진 이중 극 로브와 적도면상의 타원으로 구성된 복잡한 시스템이다. 이 로브들은 모두 동일한 대칭 축을 가지지만, 형태와 열린 각도는 각각 다르다. 개미 성운은 약 50 km/s의 속도로 방사 방향으로 팽창하고 있으며, 극축은 천구면에 대해 약 30° 기울어져 있다.

형태적 특징 중 가장 특이한 것 중 하나는 '차크람(chakram)'이라 불리는 구조이다. 2004년에 처음 발견된 이 구조는 희미하고 크며 가장자리가 밝은 타원 형태로, 중심은 행성상 성운의 핵에 있는 것으로 보인다. 이 타원의 평면은 다른 구조들의 공통적인 대칭 평면과 가깝지만 약간 어긋나 있다. 차크람의 운동학적 특징은 현재까지 연구된 행성상 성운 중 유일하게 알려진 유형이다. 다른 모든 Mz 3 구조와 달리, 핵으로부터 거리가 멀어져도 속도가 증가하지 않는다. 따라서 이 구조의 운동이 엄격히 방사상으로 보이고 회전의 징후가 없어 역학적으로 안정적임을 시사함에도 불구하고, 단순한 적도 방향의 흐름은 아닐 것으로 추정된다. 이 타원의 모든 운동학적 특성은 핵에 대해 대칭적이고 매우 정돈되어 있으며 다른 모든 Mz 3 특징과 일치한다. 따라서 이 타원은 중심별의 진화와 역사적으로 관련이 있을 것으로 보인다.

개미 성운은 종종 더 널리 연구된 나비 성운(M 2-9)과 비교되는데, 두 성운은 매우 유사한 진화 과정을 거쳤을 가능성이 높다. 둘 다 점 모양의 밝은 핵을 가진, 허리가 잘록한 쌍극 성운이며, 공간 의존적 스펙트럼이 매우 유사하다. 이러한 유사성 때문에 차이점 또한 주목할 만하다. 가장 큰 차이점은 근적외선 방사에서 나타난다. 개미 성운에서는 분자 수소(H₂) 방출의 흔적이 없는 반면, M 2-9는 근적외선에서 뚜렷한 H₂ 방출선을 보인다. 개미 성운에서 H₂ 방출이 부족하다는 점은, 이러한 방출과 행성상 성운의 쌍극 구조 사이에 강한 상관관계가 있음을 고려할 때 이례적이다. 또한 개미 성운의 극 로브는 M 2-9에 비해 더 얼룩덜룩하고 둥근 형태이다. 마지막으로 개미 성운에서는 M 2-9에서 관측되는 것과 같은 극 로브의 시간적 변동성에 대한 증거가 발견되지 않았다.

일반적인 행성상 성운과 달리, 개미 성운 중심에는 '공생성'이라 불리는 적색 거성과 백색 왜성의 연성계가 존재할 것으로 여겨진다. 2018년, 유럽 우주국의 허셜 우주 망원경 관측 데이터를 통해, 성운에서 수소 재결합선 레이저 방사(hydrogen recombination line laser emission^eng)라고 불리는 강력한 적외선 레이저 방출이 감지되었다.^[5] 이는 개미 성운 중심에 쌍성계가 존재한다는 가설을 강력히 뒷받침하는 증거이다.

2. 2. 차크람 (Chakram)

개미 성운(Mz 3)의 형태학적 특징 중 가장 특이하고 이상한 것 중 하나는 차크람(Chakram)이다. 2004년에 처음 발견된 이 구조는 희미하고 크며, 가장자리가 밝은 타원 형태를 띠고 있다. 그 중심은 행성상 성운의 핵에 있는 것으로 보인다. 차크람은 밝은 중심핵과 함께 로브(lobes), 컬럼(columns), 레이(rays)와 더불어 외부로 뻗어 나가는 4가지 종류의 고속 흐름 중 하나로, "평면 방사형으로 퍼져나가는 타원형 차크람"으로 묘사되기도 한다.

차크람의 평면은 성운 내 다른 특징들의 공통적인 반사 대칭 평면에 가깝지만, 명확히 어긋나 있다. 이 구조의 운동학적 특성은 연구된 행성상 성운 중 유일하게 알려진 것으로, 다른 모든 Mz 3 구조와는 다른 양상을 보인다. 즉, 핵으로부터의 방사상 거리가 증가함에도 불구하고 속도가 증가하지 않는다. 차크람의 운동은 엄격히 방사상으로 보이며, 회전의 징후가 없어 역학적으로 안정적임을 시사하지만, 단순한 적도 방향의 흐름은 아닐 것으로 추정된다. 이 타원의 모든 운동학적 특성은 핵에 대해 대칭적이고 매우 정돈되어 있으며, 다른 모든 Mz 3 특징과 일치한다. 이러한 점들로 미루어 볼 때, 차크람은 중심별의 진화와 역사적으로 깊은 관련이 있을 것으로 여겨진다.

2. 3. 중심별

일반적인 행성상 성운과는 달리, 개미 성운의 중심에는 '공생성'이라고 불리는 적색 거성과 백색 왜성의 연성계가 있는 것으로 여겨진다. 이 성운의 중심에 있는 짙은 성운 가스는 바깥쪽으로 퍼져 나가는 로브와는 다른 기원을 가질 가능성이 제기되었으며, 중심부의 짙은 가스 영역을 형성시킨 거대한 동반성(적색 거성으로 추정)과 행성상 성운에 전리 광자를 공급하는 백색 왜성으로 구성된 연성계가 있다는 가설이 제시되었다.

이 가설은 허셜 우주 관측소의 관측을 통해 강력하게 뒷받침된다. 허셜 우주 관측소는 성운에서 레이저 광선 방출, 특히 수소 재결합선 레이저 방출을 감지했으며^[5], 2018년에는 유럽 우주국의 허셜 관측 데이터를 통해 hydrogen recombination line laser emission^eng이라고 불리는 강력한 적외선 방사가 개미 성운에서 방출되고 있다는 연구 결과가 보고되었다. 이는 성운 중심에 쌍성을 가진 백색 왜성의 존재, 즉 연성계의 존재를 확인해주는 증거로 여겨진다.

2. 4. 팽창 속도 및 기울기

개미 성운은 약 50km/s의 속도로 방사 방향으로 팽창하고 있으며, 극축은 천구면에 대해 약 30° 기울어져 있다.

2. 5. 나비 성운(M2-9)과의 비교

개미 성운(Mz 3)은 종종 더 널리 연구된 나비 성운(M 2-9)과 비교되며, 두 성운은 매우 유사한 진화 과정을 거쳤을 것으로 여겨진다. 두 성운 모두 점 모양의 밝은 핵을 가진 가늘고 잘록한 쌍극 성운이며, 공간 의존적인 스펙트럼이 놀랍도록 유사하다. 이러한 공통점 때문에 두 성운의 진화 역사 또한 비슷할 가능성이 매우 높게 점쳐진다. 하지만 이러한 유사성에도 불구하고 몇 가지 주목할 만한 차이점도 존재한다.

2. 5. 1. 차이점

개미 성운(Mz 3)은 때때로 더 광범위하게 연구된 나비 성운(M 2-9)과 비교되며, 두 성운 모두 비슷한 진화 역사를 가졌을 가능성이 매우 높다. 두 성운 모두 점 모양의 밝은 핵을 가지고 있으며, 허리가 잘록한 쌍극 성운이며, 놀랍도록 유사한 공간 의존적 스펙트럼을 공유한다.

이러한 유사성 때문에, 그 차이점 또한 주목할 만하다. 가장 큰 차이점은 근적외선 방출이다. 개미 성운에는 분자 수소(H₂) 방출의 흔적이 없는 반면, 나비 성운은 근적외선에서 두드러진 H₂ 방출선을 가지고 있다. 개미 성운에서 H₂ 방출이 부족한 것은 이러한 방출과 행성상 성운의 쌍극 구조 사이의 강한 상관 관계를 고려할 때 이례적인 경우이다. 또한, 개미 성운의 극 로브는 나비 성운에 비해 더 얼룩덜룩하고 둥근 형태를 띤다. 마지막으로, 개미 성운은 나비 성운에서 발견되는 것처럼 극 로브에서 시간적 변동성을 나타내는 것으로 알려져 있지 않다.

3. 발견 및 연구

1922년 도널드 하워드 멘젤(Donald Howard Menzel)이 발견했다.^[6]

1997년 7월 20일, 천문학자 브루스 발릭(Bruce Balick, 워싱턴 대학교)과 빈센트 이케(Vincent Icke, 라이덴 대학교)가 허블 우주 망원경으로 관측하며 연구를 진행했다. 이후 1998년 6월 30일, 제트 추진 연구소(JPL)의 라그벤드라 사하이(Raghvendra Sahai)와 존 트라우거(John Trauger)는 허블 우주 망원경을 이용해 이 행성상 성운을 촬영했다.

개미 성운은 밝은 중심핵과 함께, 로브(lobes), 컬럼(columns), 레이(rays), 차크람(chakram)이라고 불리는 외부로 뻗어 나가는 네 종류의 고속 흐름으로 구성되어 있다. 그 모습은 "2개의 구형 이중 극 로브, 2개의 바깥쪽 큰 섬유질 모래시계 모양 컬럼, 2개의 원추형 레이, 그리고 평면 방사형으로 퍼져나가는 타원형 차크람"으로 묘사된다. 개미 성운은 세 쌍의 겹쳐진 이중 극 로브와 그 적도면상의 타원으로 이루어진 복잡한 시스템이다. 이 로브들은 모두 동일한 대칭 축을 가지지만, 각각 다른 형태와 열린 각도를 가지고 있다. 특히 '차크람'이라 불리는 구조는 행성상 성운의 핵을 중심으로 하는 것처럼 보이는, 흐릿하고 크며 가장자리가 밝은 타원형 구조로, 중심별의 진화와 관련이 있을 것으로 여겨진다.

일반적인 행성상 성운과 달리, 개미 성운의 중심에는 '공생성'으로 불리는 적색 거성과 백색 왜성의 연성계가 존재한다고 추정된다. 성운 중심부의 짙은 가스는 바깥쪽으로 퍼져 나가는 로브와는 다른 기원을 가질 가능성이 있으며, 중심에 거대한 동반성(짙은 가스 영역 형성)과 백색 왜성(전리 광자 공급)으로 구성된 연성계가 있다는 가설이 제시되었다.

개미 성운은 종종 다른 행성상 성운인 M2-9와 비교된다. 두 성운은 매우 유사한 진화 과정을 거쳤을 것으로 생각된다. 둘 다 점처럼 밝은 핵을 가진 가늘고 잘록한 이중 극 성운이며, 공간에 따른 스펙트럼 변화가 놀랍도록 유사하다. 이러한 유사성 때문에 오히려 차이점이 주목받기도 한다. 가장 큰 차이는 근적외선 방사로, 개미 성운에서는 수소 분자의 휘선이 보이지 않지만 M2-9에서는 뚜렷하게 나타난다. 수소 분자 휘선과 행성상 성운의 이중 극 구조 사이에 강한 상관관계가 있다는 점을 고려하면, 개미 성운에서 휘선이 보이지 않는 것은 매우 드문 경우이다. 또한 개미 성운의 극 지역 로브는 M2-9에 비해 더 얼룩덜룩하고 둥근 형태를 띤다. M2-9에서 관측되는 극 지역 로브의 시간적 변화 역시 개미 성운에서는 발견되지 않았다.

개미 성운은 약 50 km/s의 속도로 방사 방향으로 팽창하고 있으며, 극축은 천구면에 대해 약 30° 기울어져 있다.

2018년, 유럽 우주국(ESA)의 허셜 우주 망원경 관측 데이터를 분석한 결과, '수소 재결합선 레이저 방사'(hydrogen recombination line laser emission^eng)라고 불리는 강력한 적외선 방사가 개미 성운에서 방출되고 있다는 연구 결과가 보고되었다. 이는 개미 성운 중심에 연성계가 존재한다는 가설을 강력하게 뒷받침하는 증거로 여겨진다.

참조

_[1] 서적 SIMBAD 2006
_[2] 서적 Santander-García 2004
_[3] 서적 Zhang 2006
_[4] 서적 Guerrero 2004
_[5] 웹사이트 A space ant fires its lasers http://www.esa.int/O[...]
_[6] 서적 Smith 2003
_[7] 서적 Gottlieb 2005

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