메시에 4

1. 개요

메시에 4(M4)는 75광년 크기의 성긴 구상 성단으로, 약 6,000광년 거리에 위치하며 태양계에서 가장 가깝다. 122억 년으로 추정되는 M4는 특징적인 "막대" 구조를 가지며, 최소 43개의 변광성을 포함한다. M4는 두 개의 별 개체군을 가지고 있어 두 번의 별 형성 주기를 거쳤을 가능성이 있으며, 중심에는 중간 질량 블랙홀이 존재할 수 있다는 증거가 발견되었다. M4는 안타레스 근처에서 작은 망원경으로도 쉽게 관측할 수 있다.

2. 특징

M4는 비교적 성긴 구상성단으로, 직경은 약 70광년이다. 태양계로부터의 거리는 약 7,200광년으로, 2007년에 2MASS-GC04(약 4,900광년)가 발견되기 전까지는 태양계에서 가장 가까운 구상 성단이었다.

공간 속도 성분은 (U, V, W) = (-57 ± 3, -193 ± 22, -8 ± 5) km/s이다. 이는 M4가 은하수 주위를 주기로 공전하며 궤도 이심률은 0.80 ± 0.03임을 보여준다. 근점에서는 은하 중심에서 이내로 접근하며, 원점에서는 까지 이동한다. 경사각은 은하면과 를 이루며, 디스크 위로 최대 까지 도달한다. 이 성단은 은하 디스크를 통과할 때 은하 핵에서 5kpc 이내로 통과하며, 이 과정에서 조석 충격을 겪어 별들이 반복적으로 방출될 수 있다. 따라서 과거에는 M4가 훨씬 더 무거웠을 가능성이 있다.

2023년, 허블 우주 망원경과 유럽 우주국(European Space Agency)의 가이아 우주선(Gaia spacecraft) 데이터를 분석한 결과, 메시에 4의 중심에서 약 800의 과도한 질량이 발견되었는데, 이는 확장된 형태가 아닌 것으로 보인다. 따라서, 이는 중간 질량 블랙홀에 대한 운동학적 증거로 간주될 수 있다. (비록 백색 왜성, 중성자별 또는 항성 질량 블랙홀과 같은 특이하게 조밀한 천체들의 조밀한 성단이 완전히 배제될 수는 없지만).

2.1. 항성 구성

M4는 비교적 성긴 구상성단으로, IX등급에 해당한다. 크기는 약 75 광년이다. 중간 크기의 망원경으로도 관측 가능한 핵심부의 특징적인 "막대" 구조는 11등급의 별들로 이루어져 있으며, 약 2.5' 길이에 달한다. 이 구조는 1783년 윌리엄 허셜에 의해 처음 관찰되었다. M4 내에서는 최소 43개의 변광성이 관측되었다.

M4는 태양계에서 가장 가까운 구상 성단 중 하나로, 약 6,000 광년 떨어져 있다. 추정 나이는 122억 년이다.

천문학에서 수소와 헬륨 외의 원소의 양을 금속 함량이라고 하며, 이는 일반적으로 태양에 비해 철과 수소의 비율로 표시된다. M4의 경우, 측정된 철의 함량은 다음과 같다.

:$\backslash left[\backslash frac\{Fe\}\{H\}\backslash right]\backslash \; =\backslash \; -1.07\; \backslash pm\; 0.01$

이 값은 태양에서의 동일한 비율에 대한 철 대 수소 비율의 로그 값이다. 따라서 M4는 태양 철 함량의 8.5%에 해당하는 철을 가지고 있다. 이는 M4가 나이가 다른 두 개의 별 개체군을 가지고 있음을 강력하게 시사한다. 즉, M4는 두 번의 주요한 별 형성 주기 또는 단계를 거쳤을 것이다.

1995년 허블 우주 망원경이 촬영한 사진에서 M4 내 백색 왜성들은 우리 은하에서 가장 오래된 별들 중 하나로, 130억 년이나 되었다. 그중 하나는 PSR B1620−26이라는 펄서 동반성과 목성 질량의 2.5배 질량을 가진 행성이 공전하는 쌍성인 것으로 밝혀졌다. M4의 한 별은 예상보다 훨씬 많은 희귀한 가벼운 원소 리튬을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

M4에는 CX-1이 위치해 있는데, 이는 가능한 밀리초 펄서/중성자별 쌍성으로 알려져 있으며, 6.31시간 주기로 공전한다.

M4에서는 많은 변광성이 관측되고 있다. 1987년에는 3.0밀리초 주기의 펄서가 발견되었고, 1995년에는 허블 우주 망원경에 의한 관측으로 펄서와 쌍성계를 이루는 백색 왜성이, 2003년 7월에는 이 쌍성계를 공전하는 외계 행성 (펄서 행성)이 발견되었다. 목성의 약 2.5배 질량을 가진 것으로 여겨지는 이 행성은, 아마 M4와 마찬가지로 오래되어 130억 년 전에 형성된 것으로 추정된다.

2.2. 중심 블랙홀 가능성

2023년, 허블 우주 망원경과 유럽 우주국(European Space Agency)의 가이아 우주선(Gaia spacecraft) 데이터를 분석한 결과, 메시에 4의 중심에서 약 800의 과도한 질량이 발견되었는데, 이는 확장된 형태가 아닌 것으로 보인다. 따라서, 이는 중간 질량 블랙홀에 대한 운동학적 증거로 간주될 수 있다. (비록 백색 왜성, 중성자별 또는 항성 질량 블랙홀과 같은 특이하게 조밀한 천체들의 조밀한 성단이 완전히 배제될 수는 없지만).

3. 관측

M4는 가장 작은 망원경으로도 흐릿한 빛 덩어리로 쉽게 관측할 수 있다. 하늘에서 달과 비슷한 크기로 보인다. 밝은 별 안타레스에서 서쪽으로 불과 1.3도 떨어져 있어 찾기 가장 쉬운 구상 성단 중 하나이며, 두 천체 모두 넓은 시야의 망원경으로 관측할 수 있다. 적당한 크기의 망원경으로 M4에서 가장 밝은 별의 겉보기 등급이 10.8등급으로 개별 별을 분해해서 관측할 수 있다.

장-필립 루아 드 셰조가 1746년에 발견하고, 1764년에 샤를 메시에가 첫 번째 목록에 기재했다. 1751~1752년에 라카유는 케이프타운에서 관측했다. 1783년 윌리엄 허셜은 처음으로 별로 분해해서 보았다.

안타레스 서쪽에 있으며, 소형 망원경으로도 비교적 관찰하기 쉽다. 구상 성단으로서는 성글다. 하늘 조건이 좋으면 육안으로 은하수 안에서 볼 수 있을 정도로 밝은 구상 성단이다. 다만, 같은 구상 성단인 M2나 M3보다 밝음에도 불구하고, 1등성 안타레스가 서쪽으로 1.5°에 있기 때문에, 그것들보다 보기 어렵다. 구상 성단으로서는 성글고, 노란색을 띠는 것이 특징이다. 둥글고 대칭적인 형태를 하고 있음에도 불구하고, 10개에서 12개 정도의 10~12등급의 별 무리가 북쪽에서 남쪽으로 뻗어 있다. 구경 20cm 정도의 망원경으로 중심 부분의 별도 보이기 시작하지만, 하늘 상태에 따라 보이는 방식이 달라지는 성단이라고도 한다.

4. 운동학

메시에 4(M4)의 공간 속도 성분은 (U, V, W) = (-57 ± 3, -193 ± 22, -8 ± 5) km/s이다. 이는 은하수 주위를 공전하는 주기가 (116 ± 3) 백만 년이며 궤도 이심률은 0.80 ± 0.03임을 보여준다. 근점에서는 은하 중심에서 0.6kpc 이내로 접근하며, 원점에서는 5.9kpc까지 이동한다. 경사각은 은하면과 23° ± 6°를 이루며, 따라서 디스크 위로 최대 1.5kpc까지 도달한다. 이 성단은 디스크를 통과할 때 은하 핵에서 5kpc 이내로 통과한다. 각 통과 동안 성단은 조석 충격을 겪으며, 이는 별들의 반복적인 방출을 유발할 수 있다. 따라서 이 성단은 과거에 훨씬 더 무거웠을 수 있다.