용골자리 성운

1. 개요

용골자리 성운은 1752년 니콜라 루이 드 라카유에 의해 발견된, 용골자리에 위치한 거대한 발광 성운이다. 지구로부터 약 8,500광년 거리에 있으며, 겉보기 크기는 120 x 120분각이다. 성운 내부에는 극대거성 용골자리 에타를 비롯하여 호문쿨루스 성운, 열쇠구멍 성운, 반항하는 손가락, 신비로운 산과 같은 다양한 천체들이 존재한다. 또한, 트럼플러 14, 트럼플러 15, 트럼플러 16, WR 22, WR 25, HD 93129, HD 93250, HD 93205와 같은 여러 산개성단과 밝은 별들이 포함되어 있다.

2. 발견 및 기초 정보

1752년 1월 25일 니콜라 루이 드 라카유가 남아프리카 공화국 희망봉에서 용골자리 성운을 발견했다. 성운의 위치는 적경 10h 45m 08.5s, 적위 -59° 52′ 04″ (2000년 분점)을 중심으로 하며, 겉보기 크기는 120 × 120 분각이다. 현대 관측 결과 지구로부터 용골자리 성운까지의 거리는 약 8500ly이다.

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3. 용골자리 성운 내 천체들

니콜라 루이 드 라카유는 1752년 1월 25일에 용골자리 성운을 발견했다. 현대에 이르러 용골자리 성운까지의 거리는 지구로부터 대략 으로 측정되었다. 용골자리 성운 내에는 다음과 같은 천체들이 있다.

* 용골자리 에타 : 광도가 매우 높은 초거성이다. 태양의 100 ~ 150배로 추정되는 질량을 가지며, 광도는 태양의 약 400만 배이다. 용골자리 에타는 그 위치와 크기 때문에 현 시점에서 연구가 자세하게 이뤄진 별들 중에서 질량이 가장 큰 항성 중 하나이다.
* 호문쿨루스 성운 : 용골자리 에타 바로 바깥을 둘러싸고 있으며, 훨씬 더 크고 밝은 성운 안에 자리 잡고 있다. 1841년 용골자리 에타에서 일어났던 막대한 규모의 폭발로 방출된 물질로 보이며, 당시 에타별은 밤하늘에서 2등급까지 밝아졌었다. 호문쿨루스 성운은 규모가 작은 H II 영역으로 가스가 충격을 받아 이온화되어 들뜬 상태에 있다. 또한, 극도로 광도가 높은 중심 항성계에서 나오는 빛의 대부분을 흡수하여 적외선으로 재방출한다. 이러한 이유로 중적외선 파장에서 볼 때 밤하늘에서 가장 밝은 천체이다.
* 열쇠구멍 성운 : 용골자리 성운 내에 있는 차가운 분자와 먼지로 이루어진 작은 암흑 성운이다. 존 허셜이 처음 묘사할 때 사용한 '렘니스케이트 타원형의 진공'이라는 단어는 이후 '타원형의 진공'으로 줄여졌고, 1873년 엠마 컨버스가 《애플턴의 저널》 기사에서 이 성운의 외관을 '열쇠구멍과 닮았다'라고 표현한 이후 '열쇠구멍 성운' 또는 '열쇠구멍'이라는 이름이 보편적으로 쓰이게 되었다.
* 트럼플러 14, 트럼플러 15, 트럼플러 16 : 용골자리 성운에 있는 산개성단들이다. 특히, 트럼플러 16은 용골자리 OB1 성협의 주요 성단들 중 하나이며, 용골자리 에타가 이 성단의 일원이다. 트럼플러 16에는 WR 25와 HD 93129, HD 93250와 같은 밝은 별들이 속해 있다.
* WR 22 : 식쌍성이다. 주성은 태양 질량의 70배 이상에서 60배 미만, 반성은 태양 질량의 21~27배 범위이다.
* WR 25 : 트럼플러 16 성단의 구성원으로, 용골자리 성운 중심부에 있는 쌍성계이다. 주성은 울프-레이에별로, 우리은하에서 가장 밝은 별 중 하나일 가능성이 있다. 반성은 관측하기 어려우나, 광도가 높은 OB형 항성으로 추정된다.
* HD 93129 : O형 항성들로 이루어진 삼중성계이다. 세 별 모두 우리은하에서 매우 밝은 별에 속한다.
* HD 93250 : 용골자리 성운 영역에 있는, 광도가 매우 높은 항성이다. 이 별은 용골자리 에타로부터 7.5 분각 거리만큼 떨어져 있으며, 위치는 좀 더 작은 산개성단 트럼플러 14에 가까운 것처럼 보이지만 실제로는 트럼플러 16의 구성원일 것으로 추정된다.
* HD 93205 : 거대한 항성 둘로 이루어진 쌍성계이다.
* 신비로운 산 : 허블 우주망원경 20주년을 맞아 2010년 촬영된 용골자리 성운 사진에 나온 먼지와 가스로 이루어진 기둥 구조에 붙여진 이름이다. 이 기둥의 높이는 약 3광년(0.92파섹)이며, 기둥 내부에는 갓 태어난 별들이 가스 제트를 뿜고 있다.

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3.1. 용골자리 에타 (Eta Carinae)

용골자리 에타는 용골자리 성운 내에 있는 매우 밝은 극대거성이다. 질량은 태양의 100~150배, 광도는 태양의 약 400만 배로 추정된다. 현재까지 상세하게 연구된 별들 중 가장 무거운 별 중 하나이다. 에딩턴 한계에 가까운 질량을 가지고 있어, 가까운 미래에 초신성이나 극초신성 폭발을 일으킬 것으로 예상된다.

1840년대에 대폭발을 일으켜 엄청난 양의 물질을 방출했으며, 이로 인해 호문쿨루스 성운이 형성되었다. 별 주변을 먼지가 둘러싸게 되어 별에서 방출되는 자외선의 양이 크게 줄었다.

3.1.1. 호문쿨루스 성운 (Homunculus Nebula)

용골자리 에타를 둘러싸고 있는 작고 특이한 형태의 쌍극성 성운이다. 1841년 용골자리 에타의 대폭발로 방출된 물질로 형성되었으며, 라틴어로 '작은 사람'이라는 뜻을 가지고 있다.

호문쿨루스 성운은 전리수소영역(H II 영역)으로, 가스가 충격을 받아 이온화되어 들뜬 상태이다. 중심 별에서 나오는 빛의 대부분을 흡수하여 적외선으로 재방출하며, 중적외선 파장에서 밤하늘에서 가장 밝은 천체이다.

호문쿨루스 성운까지의 거리는 성운이 축 대칭 형태라고 가정하여 추정할 수 있다. 이 방법을 통해 계산된 거리는 2.35kpc이다. 성운의 최대 반지름은 약 22000 AU이며, 지구를 향해 측면보다 정면을 더 많이 보여주는 형태로, 시선 방향과 성운 축 사이의 각도는 약 41°이다.

3.2. 열쇠구멍 성운 (Keyhole Nebula)

열쇠구멍 또는 열쇠구멍 성운(Keyhole Nebula)은 용골자리 성운 내부에 있는 작고 어두운 성운이다. 차가운 분자와 먼지로 이루어져 있으며, 훨씬 밝은 배경 성운을 바탕으로 밝게 빛나는 뜨거운 기체 필라멘트 구조를 포함하고 있어 대비되어 보인다.

존 허셜은 이 천체를 처음 묘사할 때 '렘니스케이트 타원형의 진공'이라고 표현했고, 이후 '타원형의 진공'으로 줄여 말했다. 1873년, 엠마 컨버스가 《애플턴의 저널》 기사에서 이 성운의 외관을 '열쇠구멍과 닮았다'라고 표현한 이후 '열쇠구멍 성운' 또는 '열쇠구멍'이라는 이름이 널리 쓰이게 되었다.

열쇠구멍 구조의 지름은 약 7ly이다. 용골자리 에타가 방출하는 이온화 방사선의 변화로 인해 겉모습이 처음 관측된 이래 크게 바뀌어 왔다.

열쇠구멍 성운은 독자적인 NGC 번호가 없으며, 간혹 NGC 3324로 잘못 불리기도 한다. 그러나 NGC 3324는 용골자리 성운 북서쪽에 위치한 다른 반사/방출성운을 가리킨다.

허블 우주망원경은 열쇠구멍 성운 내 작은 보크 구상체를 촬영했는데, 이 구상체에는 그 외관 때문에 '용골자리의 반항하는 손가락''(Carina Defiant Finger)이라는 별명이 붙었다. 밝은 울프-레이에별 WR 25가 단독으로, 혹은 WR 25와 밝은 청색초거성 트럼플러 16-244가 함께 이 손가락 구조를 이온화시키고 있으며, 이 구상체의 질량은 태양의 최소 6 배이다.

3.3. 반항하는 손가락 (Defiant Finger)

용골자리의 반항하는 손가락(Carina Defiant Finger)은 열쇠구멍 성운 내 작은 보크 구상체에 붙은 별명이다. 허블 우주 망원경 사진에서 '손가락'으로 불리는 남쪽 끝부분에서 빛이 구상체의 바깥 테두리를 날려 보내는 모습을 볼 수 있다. 이 구상체는 밝은 울프-레이에별 WR 25나 청색초거성 트럼플러 16-244에 의해 이온화되고 있는 것으로 추정된다.

이 구상체의 질량은 태양의 최소 6배이며, 구상체 속에서 별들이 생성되고 있을 것으로 추정된다. 극심한 에너지 복사를 받는 여타 성간 구름들과 마찬가지로 이 구상체는 종국적으로 완전히 증발할 것이며, 증발에 걸리는 시간은 20만~100만 년으로 추측된다.

3.4. 신비로운 산 (Mystic Mountain)

허블 우주 망원경이 20주년을 맞아 2010년 2월 1일부터 2월 2일까지 광각 카메라 3으로 용골자리 성운을 촬영했는데, 이 사진에 나온 먼지와 가스로 이루어진 기둥 구조에 '신비로운 산'(Mystic Mountain)이라는 명칭이 부여되었다. 이 기둥의 높이는 약 3ly이며, 기둥 내부에는 갓 태어난 별들이 가스 제트를 뿜고 있다.

3.5. 주요 항성 및 성단

용골자리 에타는 광도가 매우 높은 초거성이다. 태양의 100 ~ 150배로 추정되는 질량을 가지며, 광도는 태양의 약 400만 배이다. 용골자리 에타는 그 위치와 크기 때문에 현 시점에서 연구가 자세하게 이뤄진 별들 중에서 질량이 가장 큰 항성 중 하나이다.

호문쿨루스 성운은 용골자리 에타 바로 바깥을 둘러싸고 있으며, 훨씬 더 크고 밝은 성운 안에 자리 잡고 있다. 1841년 용골자리 에타에서 일어났던 막대한 규모의 폭발로 방출된 물질로 보이며, 당시 에타별은 밤하늘에서 2등급까지 밝아졌었다. 호문쿨루스 성운은 규모가 작은 H II 영역으로 가스가 충격을 받아 이온화되어 들뜬 상태에 있다. 또한, 극도로 광도가 높은 중심 항성계에서 나오는 빛의 대부분을 흡수하여 적외선으로 재방출한다. 이러한 이유로 중적외선 파장에서 볼 때 밤하늘에서 가장 밝은 천체이다.

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열쇠구멍 또는 열쇠구멍 성운은 차가운 분자와 먼지로 이루어진 작고 어두운 성운으로, 용골자리 성운 내에 자리 잡고 있다. 존 허셜이 처음 묘사할 때 사용한 '렘니스케이트 타원형의 진공'이라는 단어는 이후 '타원형의 진공'으로 줄여졌고, 1873년 엠마 컨버스가 《애플턴의 저널》 기사에서 이 성운의 외관을 '열쇠구멍과 닮았다'라고 표현한 이후 '열쇠구멍 성운' 또는 '열쇠구멍'이라는 이름이 보편적으로 쓰이게 되었다.

허블 우주망원경 20주년을 맞아 2010년 촬영된 용골자리 성운 사진에 나온 먼지와 가스로 이루어진 기둥 구조에 신비로운 산이라는 명칭이 부여되었다. 이 기둥의 높이는 약 3광년(0.92파섹)이며, 기둥 내부에는 갓 태어난 별들이 가스 제트를 뿜고 있다.

트럼플러 14, 트럼플러 15, 트럼플러 16은 용골자리 성운에 있는 산개성단들이다. 특히, 트럼플러 16은 용골자리 OB1 성협의 주요 성단들 중 하나이며, 용골자리 에타가 이 성단의 일원이다. 트럼플러 16에는 WR 25와 HD 93129, HD 93250와 같은 밝은 별들이 속해 있다.

3.5.1. 트럼플러 14 (Trumpler 14)

트럼플러 14는 용골자리 성운 안쪽에 있는 산개성단이다. 지름은 6ly이며, 지구로부터 약 8000ly 떨어져 있다. 용골자리 OB1 성협의 주요 성단들 중 하나이다. 트럼플러 14에는 약 2,000개 이상의 별들이 확인되었으며, 성단의 총 질량은 로 추정된다.

3.5.2. 트럼플러 15 (Trumpler 15)

트럼플러 15는 용골자리 성운 북동쪽에 있는 산개성단이다. 이전 연구에서는 이 성단까지의 거리에 대해 합의점이 나오지 않았었으나, 가이아 계획의 측성 수치로부터 이 성단이 용골자리 OB1 성협과 같은 거리에 있음이 확인되었다.

3.5.3. 트럼플러 16 (Trumpler 16)

트럼플러 16은 용골자리 성운에서 가장 거대한 성협인 용골자리 OB1 성협의 주요 성단들 중 하나이며 트럼플러 14보다 질량이 더 크고 규모도 더 크다. 용골자리 에타가 이 성단의 구성원이다.

트럼플러 16 성단의 구성원 중 하나인 WR 25는 쌍성계로, 주성은 울프-레이에별이며, 아마도 우리은하에서 가장 밝은 별일 것이다. 반성은 관측하기 어려우나 광도가 높은 OB형 별로 추정된다.

3.5.4. WR 22

WR 22는 식쌍성이다. 주성은 태양 질량의 70배 이상에서 60배 미만, 반성은 태양 질량의 21~27배 범위이다. 분광기로 측정한 주성의 질량은 태양의 74배 또는 78.1배이다.

3.5.5. WR 25

WR 25는 트럼플러 16 성단의 구성원으로, 용골자리 성운 중심부에 있는 쌍성계이다. 주성은 울프-레이에별로, 우리은하에서 가장 밝은 별 중 하나일 가능성이 있다. 반성은 관측하기 어려우나, 광도가 높은 OB형 항성으로 추정된다.

3.5.6. HD 93129

HD 93129는 O형 항성들로 이루어진 삼중성계이다. 세 별 모두 우리은하에서 매우 밝은 별에 속한다. HD 93129 A와 B는 분리되어 관측되며, A는 다시 가까이 붙어 있는 두 별로 구성되어 있다.

HD 93129 A는 두 개의 구성원으로 나뉜다. 더 밝은 주성이 스펙트럼을 주도하지만, 동반성의 밝기는 주성보다 0.9 등급밖에 차이나지 않는다. HD 93129 Aa는 O2형 초거성이고, Ab는 O3.5형 주계열성이다. 두 별 사이의 거리는 2004년 55 밀리초각에서 2013년 27 밀리초각으로 줄었으나, 정확한 공전 궤도는 밝혀지지 않았다.

HD 93129 B는 Aa-Ab 계에서 3초각 떨어진 O3.5형 주계열성이다. B는 HD 93129 A의 전체 밝기보다 약 1.5 등급 어둡고, HD 93129 Ab와 밝기가 거의 같다.

3.5.7. HD 93250

HD 93250은 용골자리 성운 영역에 있는, 광도가 매우 높은 항성이다. 이 별은 용골자리 에타로부터 7.5 분각 거리만큼 떨어져 있으며, 위치는 좀 더 작은 산개성단 트럼플러 14에 가까운 것처럼 보이지만 실제로는 트럼플러 16의 구성원일 것으로 추정된다.

HD 93250은 쌍성으로 알려져 있으나 구성원 둘의 개별 스펙트럼은 분리하여 관측된 바 없다. 다만 둘의 스펙트럼은 매우 유사할 것으로 보인다. HD 93250의 분광형은 그동안 O5, O6/7, O4, O3 등 다양하게 부여되어 왔으며 광도분류상 주계열성 또는 거성으로 분류된 적도 있다. 은하 O형 항성 분광기 조사(Galactic O-Star Spectroscopic Survey)에서는 이 별을 새로 만들어진 O4형 준거성 분광형의 표준 항성으로 사용했다.

3.5.8. HD 93205

HD 93205는 거대한 항성 둘로 이루어진 쌍성계이다. 둘 중 더 무거운 쪽은 O3.5 분광형의 주계열성이다. 스펙트럼에는 이온화된 질소와 헬륨의 방출선이 나타나는데, 이는 '핵융합 부산물들이 혼합된 것이 표면으로 올라온 것'과 '강력한 항성풍'의 증거이다. 궤도의 근점운동으로부터 계산한 주성의 질량은 태양의 40 ~ 60배이다. 이 값은 항성 진화 모형 및 관측된 매개변수들로부터 예상한 값보다 다소 작다.

좀 더 가벼운 반성은 O8형의 주계열성이며 질량은 태양의 약 20배이다. 반성은 궤도를 초당 300 킬로미터 속도로 움직여서 상대론적 쌍성으로 간주되며, 이 때문에 궤도의 양쪽 끝은 예측할 수 있는 방향으로 변화하게 된다.