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2013년 8월 4일 일요일

우주 이야기 171 - 짧은 감마선 폭발의 비밀에 다가선 허블 우주 망원경



 이전에 블로그를 통해서 여러차례 설명했듯이 과학자들은 지난 반세기간 아주 강력한 에너지 방출 현상인 감마선 버스트 (Gamma Ray Burst 혹은 감마선 폭발) 를 목격해 왔습니다. (감마선 버스트에 대해서는 전 포스트 http://jjy0501.blogspot.kr/2012/06/58-5.html   참조. 그리고 네이버 캐스트도 읽어 볼만함 http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=116&contents_id=7411 )


 감마선 버스트에는 2 초 미만 짧은 시간 지속되는 짧은 감마선 폭발 (short gamma ray burst) 와 그 이상 지속되는 긴 감마선 폭발 (long gamma ray burst) 의 두가지 종류가 있습니다. 이전에 설명드린 데로 과학자들은 이 두가지 현상의 메커니즘이 서로 다르다고 생각하고 있습니다.



 상세한 내용은 이전 포스트나 혹은 위의 링크에 있는 네이버 캐스트를 참조하시면 되겠지만 간단히 설명드리면 짧은 감마선 폭발은 중성자별들은 충돌이나 혹은 중성자별 + 블랙홀 충돌등의 격렬한 충돌 현상에 의한 것이라고 설명되고 있으며 긴 감마선 폭발은 태양의 100 배 정도 되는 거대 별이 대규모 초신성 폭발을 일으키면서 생긴다고 설명하고 있습니다. 하지만 아직도 상세한 메카니즘은 베일에 가려 있으며 새로운 관측 현상들이 계속 발견되어 앞으로도 연구가 많이 필요한 실정입니다.



 최근 영국 레스터 대학 (University of Leicester in the United Kingdom) 의 니얼 탄비어 (Nial Tanvir) 가 이끄는 연구팀은 허블 우주 망원경을 이용한 관측 결과를 토대로 짧은 감마선 폭발의 메카니즘을 규명하는데 중요한 증거하나를 발견했습니다.


 이들이 관측한 것은 40 억 광년 정도 떨어진SDS J112848.22+170418.5 라는 은하에서 발생한 감마선 폭발인 GRB 130603B 입니다. 이 감마선 폭발은 2013 년 6월 13일 허블 우주 망원경의 WFC3 에 의해 관측되었는데 짧고 강력한 감마선 폭발 후 수시간 동안 모든 방향으로 충격파가 전해졌으며 이후 20 일이 지난 시점에도 이것이 관찰되었습니다.




(GRB 13060B 의 관측 모습. 40 억 광년 떨어진 감마선 폭발이지만 허블 망원경으로 비교적 상세하게 관측이 가능했음  In the image at left, the galaxy in the center produced the gamma-ray burst, designated GRB 130603B. The galaxy, cataloged as SDS J112848.22+170418.5, resides almost 4 billion light-years away. A probe of the galaxy with Hubble's Wide Field Camera 3 on June 13, 2013, revealed a glow in near-infrared light at the source of the gamma-ray burst, shown in the image at top, right. When Hubble observed the same location on July 3, the source had faded, shown in the image at below, right. The fading glow provided key evidence that it was the decaying fireball of a new type of stellar blast called a kilonova. Kilonovas are about 1,000 times brighter than a nova, which is caused by the eruption of a white dwarf. But they are 1/10th to 1/100th the brightness of a typical supernova, the self-detonation of a massive star. Credit: NASA, ESA, N. Tanvir (University of Leicester), A. Fruchter (STScI), and A. Levan (University of Warwick))


 이들이 관측한 GRB 13060B 의 폭발 후 모습은 두개의 고밀도 별 (compact star, 백색왜성, 중성자별, 블랙홀 같이 밀도가 매우 높은 천체) 의 충돌에서 발생할 수 있는 현상인 킬로노바 (Kilonova) 이론이 예측한 것과 비슷했습니다. 킬로노바는 일반적인 신성 (노바, nova  백색 왜성에서 생기는 폭발현상) 보다 1000 배는 강하지만 초신성 폭발에 비해서는 1/10 - 1/100 수준인 폭발입니다.


 두개의 고밀도 별이 충돌해 생기는 킬로노바 현상이 발생한다면 강력한 에너지 분출로 인한 뜨거운 플라즈마에 의해 가시광 영역에너지는 가려지고 첫 수일간은 주로 근적외선 영역에서 에너지가 나올 것으로 예측했습니다. 그리고 수일에 걸쳐 사라지게 될 것입니다. 그런데 연구팀이 발견한 현상이 이와 비슷했습니다.


 연구의 리더인 탄비어는 이를 '결정적인 증거 (smoking gun)' 이라고 표현했습니다. 그와 동료들이 허블 우주 망원경을 통해 관측한 폭발의 잔해 (주로는 근 적외선 영역 관측) 와 후폭풍은 폭발후 3 일에서 11 일 까지 관측이 가능했고 20일 지난 시점에서는 희미해졌습니다. 그리고 에너지는 한쪽이 아니라 모든 방향으로 나오고 있었습니다.


 이것이 의미하는 바는 실제로 두개의 고밀도 별이 충돌한 현상을 짧은 감마선 폭발이 있었던 자리에서 허블 우주 망원경으로 관측했다는 것입니다. 이것은 우연이 아니라 함께 일어난 현상으로 봐야 합니다. 대개의 감마선 폭발은 너무 먼 거리에서 일어나 강력한 감마선 분출 이외에는 알 수 있는 것이 없었습니다. 하지만 점차 관측 기기가 발전함에 따라 이것이 구체적으로 어떤 자연 현상과 같이 일어나는지 규명할 단계에 이르렀습니다.


 지금까지 긴 감마선 폭발이 주로 거대한 별의 최후에 나타나는 현상이라고 믿을 만한 증거는 여럿 있었지만 짧은 감마선 폭발이 실제 두개의 고밀도 별이 충돌해서 생기는 현상이라는 결정적인 증거는 부족했습니다. 보는 것이 믿는 것이다 라는 격언 처럼 이번 연구는 실제 증거를 관측하는데 성공해 짧은 감마선 폭발의 메카니즘 규명에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다.



 한가지 더 흥미로운 사실은 이런 킬로노바가 다른 의미도 가지고 있다는 것입니다. 이런 고밀도 별 두개가 충돌하게 되면 강력한 중력파가 발생해서 마치 잔잔한 호수의 표면에 돌을 던지면 파문이 생기듯 우주에 퍼지게 됩니다. 아인슈타인의 중력 이론에 의하면 반드시 있어야할 중력파는 너무나 미약해서 지금까지 검출된 적이 없습니다. 하지만 향후 이를 검출할 수 있는 장비가 개발될 것입니다. 그렇다면 미래에는 킬로노바를 관측하므로써 중력파 이론과 짧은 감마선 폭발 이론 두개를 동시에 검증할 수 있을 것이라고 연구팀은 전했습니다. 이 연구는 네이처 (Nature) 에 실렸습니다.


 참고


 Journal Reference


 N. R. Tanvir, A. J. Levan, A. S. Fruchter, J. Hjorth, R. A. Hounsell, K. Wiersema1& R. L.
Tunnicliffe.  A kilonova associated with short-duration gamma-ray burst 130603B  Nature (2013) doi:10.1038/nature12505




http://hubblesite.org/pubinfo/pdf/2013/29/pdf.pdf


http://phys.org/news/2013-08-hubble-telltale-fireball-gamma-ray.html



   




         

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