호문쿨루스 성운
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1. 개요
호문쿨루스 성운은 용골자리 에타가 1841년 일으킨 폭발로 인해 뿜어져 나온 물질로 형성된 성운이다. 지구에서 약 7,500 광년 떨어진 곳에 위치하며, 북서쪽과 남동쪽으로 뻗어 있는 두 개의 엽 구조를 가지고 있다. 호문쿨루스 성운은 팽창 속도와 스펙트럼선 도플러 변이를 통해 거리가 계산되었으며, 현재도 팽창하고 있다. 성운의 스펙트럼은 전자기 스펙트럼 파장에서의 반사, 열, 방출 요소들로 복잡하게 구성되어 있으며, 엽의 극 부분에는 '구멍' 구조가 존재한다.
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용골자리 에타는 태양 근처의 극대거성이자 쌍성계로, 과거 두 차례의 폭발을 일으켰으며 미래에 초신성 또는 극초신성 폭발을 할 것으로 예상된다.
| 호문쿨루스 성운 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
![]() | |
| 형태 | 발광성운/반사성운 |
| 거리 | 7,500 광년 |
| 겉보기 등급 | 6.21 (-0.8–7.9) (중심별 포함) |
| 별자리 | 용골자리 |
| 반지름 | 0.29 광년 (18") |
| 중요점 | 쌍극성운 |
2. 관측 역사
용골자리 에타가 희미한 동반천체 하나를 거느리고 있으며 이 천체는 항성이 아니라는 1914년 관측 보고 기록이 있다.[20] 1944년과 1945년에는 폭 5", 길이 10" 정도로 약간 길쭉한 모양의 성운 구조가 관측되었는데, 이 성운을 측정한 결과 19세기 중반 대폭발 이후 일정한 속도로 확장되고 있는 것으로 확인되었다. 당시 이 성운은 북서쪽으로 커다란 혹 하나가, 남동쪽으로는 북서쪽보다 작은 덩어리 두 개가 돋은 모양을 하고 있었으며, 이러한 모습 때문에 Homunculus|호문쿨루스la로 불리게 되었다.[21]
거의 같은 시기에 이루어진 다른 관측에서는 이 성운을 '크고 흐릿하며 녹색을 띤 성운을 배경으로 중심 영역이 있으며, 이 영역은 짙은 오렌지색을 띠고 있다.'라고 기술했다. 한 논문에서는 이 성운의 모습을 red spade-beard|붉은 턱수염영어처럼 생겼다고 묘사하기도 했다.[22]
3. 모양

호문쿨루스는 두 개의 엽(lobe, 葉) 구조로 이루어져 있으며, 이는 지구에서 관측했을 때의 방위에 따라 각각 북서쪽(NW)과 남동쪽(SE)으로 불린다. 각 엽의 너비는 약 7″, 길이는 약 5″이다.[17][25] 특정 파장에서 관측한 고해상도 이미지에서는 '가장자리가 거친 치마'처럼 생긴 구조가 적도면에 희미하게 보인다. 두 엽의 속은 거의 비어 있으며 물질 대부분은 양극을 따라 집중되어 있다.[17][25]
적도면의 치마 구조에는 엽과 나이가 비슷하거나 더 젊은 물질들이 포함되어 있다. 이 구조는 엽보다 훨씬 질량이 작으며, 용골자리 에타의 적도대에서 발산되는 빛에 반사되어 보인다. 치마에는 엽에 비해 먼지와 수소 분자의 양이 적다.[23]
이 쌍극 성운은 기울어져 있어서 북서쪽(NW) 엽이 남동쪽(SE) 엽보다 지구로부터 더 멀다. 성운 전체가 팽창하고 있기 때문에 중심 별을 기준으로 SE 엽은 청색편이를, NW 엽은 적색편이를 보인다.[23]
두 엽 모두 극 부분에 '구멍'이 있는데, 이 구멍이 실제로 뚫려 있는 곳인지 아니면 깊게 들어간 부분인지는 확실하지 않다. 구멍 주변에는 홈이 파인 것처럼 보이는 '참호'(trench) 구조가 있다. 이외에 엽 표면에는 불규칙하게 들어가거나 나온 부분들이 있으며, 이 특징들은 두 엽에 모두 대칭적으로 형성되어 있다.[25]
3. 1. 3D 모형
호문쿨루스 성운은 지구에서 관측했을 때 방향에 따라 북서쪽(NW)과 남동쪽(SE)으로 불리는 두 개의 엽(lobe)으로 구성되어 있다. 각 엽의 크기는 대략 너비 7″ × 길이 5″ 정도이다. 특정 파장의 심도 있는 영상에서는 흐릿하게 보이는 불규칙한 적도 스커트(skirt) 모양의 물질도 관측된다. 엽들은 대부분 속이 비어 있으며, 물질은 주로 양 극 쪽에 집중되어 분포한다.[2][10]
적도 스커트는 엽을 구성하는 물질과 같은 시대에 형성되었거나 혹은 더 젊은 물질을 포함하고 있는 것으로 보인다. 엽에 비해 훨씬 적은 질량의 물질을 포함하며, 주로 중심 별의 빛을 반사하여 빛나는데, 이 반사광은 적도 위도 방향으로 가장 쉽게 빠져나간다. 또한 엽에 비해 먼지가 적고 분자 수소(H2)도 거의 존재하지 않는다.[8]
이 쌍극 성운은 NW 엽이 SE 엽보다 지구에서 더 멀리 떨어져 있도록 기울어져 있다. 전체 성운이 팽창하고 있기 때문에, 중심 별을 기준으로 SE 엽은 청색편이를, NW 엽은 적색편이를 나타낸다. 엽들은 호문쿨루스 성운의 대부분의 물질을 포함하고 있으며, 극 쪽에 집중된 상대적으로 얇은 껍질 안에 존재한다. 이 껍질은 내부의 따뜻한 영역과 더 무거운 외부의 차가운 껍질이라는 두 가지 성분으로 구성되어 있다. 껍질 자체는 매끄럽고 얇아서, 불과 5년이라는 짧은 기간 동안 방출된 물질로 형성되었음을 시사하지만, 껍질 내부에서는 더 두꺼운 먼지 줄무늬가 감지되기도 한다.[8]
각 엽에는 극지 "구멍"이 존재하지만, 이것이 엽 껍질의 실제 틈인지 아니면 단지 깊은 함몰인지는 명확하지 않다. 각 극지 구멍 주위에는 "도랑(trench)"이라고 불리는 구조가 있다. 도랑은 엽의 축을 중심으로 한 반원 형태로 보이지만, 완전한 원을 형성할 가능성도 있다. 엽에는 그 외에도 작은 불규칙한 함몰과 돌출부가 있으며, 이러한 특징들은 양쪽 엽에 서로 대칭적으로 나타난다. 여기에는 각 엽에 하나씩 약 10° 위도에 위치한 평평한 돌출부([https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/3D_Homunculus_Nebula.jpg 그림 모델]에서 "돌출부(protrusion)"로 표시됨)와 적도 스커트 근처에 있는 다른 작은 돌출부들이 포함된다.[10]
성운의 전체 질량은 직접적으로 결정하기 어렵다. 그러나 먼지의 양은 상당히 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 바탕으로 가스와 먼지의 비율을 추정하여 총 질량을 계산할 수 있다. 총 먼지 질량은 약 0.4 태양 질량으로 계산되며, 이를 통해 호문쿨루스 자체에 포함된 가스의 총량은 최대 40 태양 질량에 달할 것으로 추정된다. 거의 같은 양의 물질이 이전에 형성되었지만 지난 1,000년 이내에 방출된 외부 물질에서도 감지된다. 이전의 계산에서는 성운의 총 질량을 10~15 태양 질량 정도로 추정했었다.[11]
4. 바이겔트의 얼룩들
초기 반점간섭계 연구를 통해 호문쿨루스 성운의 중심부에서 점과 유사한 형태의 천체 네 개가 발견되었으며, 이들에게는 각각 A1, A2, A3, A4라는 명칭이 부여되었다.[27][12] 이후 이 네 천체의 이름은 A, B, C, D로 변경되었다. 더 높은 해상도로 진행된 연구 결과, 가장 밝게 보이는 A만이 실제 항성이며, 나머지 세 천체(B, C, D)는 성운 물질이 작게 뭉쳐 있는 덩어리임이 확인되었다. 이 세 개의 덩어리는 '바이겔트의 얼룩'(Weigelt Blob|바이겔트 블롭eng)이라고 불리며,[28] 주로 용골자리 에타 항성계에서 직접 반사된 빛을 통해 관측된다.[28][13]
이 바이겔트의 얼룩들은 항성계의 적도면 근처에 위치하는 것으로 추정되지만, 어떻게 생성되었는지 그 기원은 아직 불확실하다.[28][13] 얼룩들의 이동 속도가 측정되었으나, 측정값의 오차 범위를 고려하면 1890년의 폭발이나 1941년의 사건 때 방출되었을 가능성도 있다. 더불어, 강력한 항성풍이 이 얼룩들의 느린 움직임을 가속시키고 있을 가능성이 있어, 이들의 정확한 기원과 운동 상태를 파악하는 것은 더욱 복잡한 문제로 남아있다.[28][13]
5. 스펙트럼
호문쿨루스 성운의 스펙트럼은 전자기 스펙트럼 전반에 걸쳐 반사, 열, 방출 요소들이 복잡하게 섞여 있다. 가장 두드러진 특징은 중심부 항성들에 의해 가열된 먼지에서 나오는 흑체 복사이다. 여기에 더해, 항성이 내보낸 빛이 성운 내 밀도 높은 구조에 반사되어 강렬한 가시광선 및 자외선 방출선을 보여준다. 성운 내 가스는 느리게 움직이는 물질과 충돌하거나, 항성에서 나오는 고에너지 전자기 복사에 의해 들떠 이온화되면서 스펙트럼에 방출선을 형성한다. 이러한 이온화 방출은 행성상성운과 유사하지만, 중심별들의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 이온화 단계는 더 낮다. 스펙트럼에서 특히 강하게 나타나는 선들은 [Fe II]와 [N II]인데, 이는 중심별이 뿜어내는 항성풍의 스펙트럼과 비슷하지만 선들의 폭은 더 좁다.[23][8]
분출물의 바깥쪽 경계면에서는 충격파가 발생하여 가스를 수백만 켈빈까지 가열시키고 엑스선 복사를 방출한다. 또한 호문쿨루스의 두 엽(lobe)은 수소 21 cm 선 방출을 포함하여 상당한 양의 전파를 내뿜는다.
호문쿨루스 엽의 반사 스펙트럼은 위치에 따라 다르게 나타나는데, 이는 중심별인 용골자리 에타가 표면의 위도에 따라 다른 양의 에너지를 복사하기 때문이다. 이러한 효과를 직접 관측할 수 있는 항성은 용골자리 에타가 유일하다.[23][8]
6. 생성
호문쿨루스 성운은 용골자리 에타가 일으킨 거대한 폭발(대폭발) 때 방출된 물질로 형성되었다. 이 폭발에서 나온 빛은 1841년 지구에 도달했으며, 이때 용골자리 에타는 밤하늘에서 시리우스 다음으로 밝은 별이 되었다. 하지만 이후 별에서 분출된 가스와 먼지가 별빛 대부분을 가렸다. 이 의사 초신성 폭발은 두 개의 극엽(極葉)과 거대하지만 얇은 적도 원반을 만들었으며, 이 구조들은 모두 670km/s 속도로 팽창하고 있다.
호문쿨루스 성운은 나이가 매우 젊기 때문에 독특한 구조를 가지고 있다. 이는 현재 성운의 구조와 모양이 폭발 이후 주변 성간매질과 거의 상호작용하지 않았음을 의미한다. 과거에는 두 엽 사이의 잘록한 부분이 주변의 밀도 높은 물질 때문에 생긴다고 추정했으나, 이는 잘못된 가설로 밝혀졌다. 현재 성운의 쌍극 껍질은 양극에서 물질이 집중적으로 유출되어 형성되었으며, 적도면의 '치마' 구조는 껍질 중 가장 얇은 부분을 뚫고 물질이 더 빠르게 분출되어 생겨난 것으로 받아들여진다.[25][10] 물질 분출이 쌍성계 구성원들의 자전축 또는 공전궤도를 따라 집중되는 이유는 용골자리 에타 A의 자전으로 인해 별의 양극을 따라 질량이 더 빠르게 유출되기 때문일 수 있다.[23][8]
쌍극 껍질의 두께를 통해 물질 분출 기간이 대략 5년 이내였음을 알 수 있다.[23][8] 매우 매끄러운 껍질 외형 중 불규칙한 부분들은 중심부 두 별의 항성풍 사이의 상호 작용과 궤도 운동 때문에 생긴 것으로 추측된다.[25][10]
성운의 팽창을 분석하면 성운의 나이는 1847.1 ± 0.8년으로 추정된다. 그러나 이 값은 과거 밝기가 크게 증가했던 시기 및 반성의 근점 통과 예상 시기와는 일치하지 않는다.[29][14]
7. 거리

지구로부터 호문쿨루스와 용골자리 에타까지의 거리는 트럼플러 16, 용골자리 성운과 거의 같을 것으로 추정되지만, 이들 천체까지의 정확한 거리는 알려져 있지 않다. 대신 호문쿨루스 성운 자체의 거리는 성운이 팽창하는 속도를 측정하여 계산할 수 있다.
이 방법은 호문쿨루스의 두 엽(lobe)이 대칭적이라고 가정한다. 얇은 껍질 속 특정 지점의 속도는 해당 위치에서 나오는 빛의 스펙트럼선에 나타나는 도플러 변이를 이용하여 측정한다. 이 도플러 변이에는 직접 방출되는 빛과 중심별 용골자리 에타 A에서 반사된 빛, 두 가지 종류가 있다. 직접 방출선의 도플러 변이를 통해 우리 시선 방향에 대한 성운의 확산 속도를 알 수 있다. 용골자리 에타의 대폭발 이후 성운이 일정한 속도로 확장했다고 가정하면, 이 속도로부터 시선 방향으로 중심별에서 껍질까지의 거리를 계산할 수 있다. 또한, 반사된 빛과 직접 방출된 빛의 도플러 변이 속도 차이를 이용하면, 역시 성운이 일정한 속도로 팽창했다고 가정할 때 중심별과 껍질 사이의 실제 거리를 구할 수 있다.
중심별로부터 특정 각거리에서 호문쿨루스의 스펙트럼을 관측하면 중심별에서 해당 지점까지의 실제 직선 거리가 나오고, 이를 통해 지구로부터 성운까지의 거리를 계산할 수 있다. 이 방법으로 구한 지구에서 호문쿨루스까지의 거리는 약 2.3kpc (약 7500 광년)이며, 오차 한계는 약 100pc이다.[29][23][30][14][8][15]
같은 계산 방법을 통해 호문쿨루스 성운의 축이 우리 시선 방향에 대해 얼마나 기울어져 있는지도 알 수 있다. 성운의 궤도경사각은 천구면에 대해 41° 또는 49°로 계산되는데, 이는 우리가 호문쿨루스의 옆면보다는 앞면을 약간 더 많이 보고 있음을 의미한다.[23][30][8][15]
참조
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논문
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[2]
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Η Carinae Baby Homunculus Uncovered by A/km/kmLMA
[3]
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Near-infrared integral field spectroscopy of the Homunculus nebula around η Carinae using Gemini/CIRPASS
[4]
서적
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[5]
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[6]
논문
Eta Carinae. I. The Nebulosity
[7]
논문
Nebulosity surrounding eta Carinae
[8]
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The Structure of the Homunculus. I. Shape and Latitude Dependence from H2and [Feii] Velocity Maps of η Carinae
[9]
웹사이트
Highest Resolution Image of Eta Carinae - VLT Interferometer captures raging winds in famous massive stellar system
https://www.eso.org/[...]
2016-10-20
[10]
논문
The three-dimensional structure of the Eta Carinae Homunculus
[11]
논문
Submillimetre variability of Eta Carinae: Cool dust within the outer ejecta
[12]
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Eta Carinae resolved by speckle interferometry
[13]
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Did Carinae's Weigelt Blobs Originate circa 1941?
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A moderately precise dynamical age for the Homunculus of Eta Carinae based on 13 years of HST imaging
[15]
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The Shape and Orientation of the Homunculus Nebula Based on Spectroscopic Velocities
[16]
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