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우주 이야기 333 - Type Ia 초신성의 메카니즘 밝히기



 Type Ia 초신성은 천문학에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 왜냐하면 거리 측정에 사용되기 때문입니다. Type Ia 초신성은 폭발할 때 일정한 밝기로 폭발을 일으킵니다. 따라서 그 밝기를 측정하면 역으로 거리를 알 수 있습니다. 그렇게 해서 아주 멀리 떨어진 은하의 거리를 측정할 수 있게 되는 것이죠. 

 따라서 천문학자들이 Type Ia 초신성의 성질에 대해서 집중적으로 연구를 하고 있다는 사실은 전혀 놀라운 것이 아닙니다. 이 종류의 초신성을 연구하는 과학자들을 오랬동안 괴롭히는 문제 가운데 하나는
Type Ia 초신성이 생성되는 원리입니다. 놀라운 일이지만, 아직 Type Ia 초신성의 생성 메커니즘은 100% 밝혀지지 않았습니다. 

 과학자들은 일단 백색 왜성이 임계 질량에 도달하면 다시 핵융합 반응이 일어나면서 강력한 폭발이 일어나는 것이 Type Ia 초신성 폭발의 원인이라는 데는 의견이 거의 일치하고 있습니다. 문제는 그 과정입니다. 

 다만 앞서 다른 포스트에서 언급했듯이 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100129834105 참조) Type Ia 초신성의 생성을 설명하는 가장 대표적인 이론은 single-degenerate 모델이라는 것으로 하나의 백색 왜성과 하나의 동반성을 가정한 것입니다. 백색 왜성이 주변 동반성에서 물질을 흡수해 임계 질량에 도달하면 폭발을 일으킨다는 것이죠. 반면 double-degenerate 모델에서는 두 개의 백색왜성이 서로 충돌하므로써 초신성 폭발을 일으킵니다.  



(Type Ia 초신성의 시뮬레이션 모델. 여기서는 single degenerate 모델에 의한 것으로 동반성에 의해서 폭발 충격이 가려진 모습이 나타나있음. A still from a simulation of a Type Ia supernova. In the simulation, a Type Ia supernova explodes (dark brown color). The supernova material is ejected outwards at a velocity ofabout 10,000 km/s. The ejected material slams into its companion star (light blue). Such aviolent collision produces an ultraviolet pulse which is emitted from the conical hole carved out by the companion star. Credit: Dan Kasen)


(Type Ia 초신성의 탄생 메카니즘   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   출처 :  NASA, ESA and A. Feild (STScI); vectorisation by chris)

 어느 모델이 옳은 지 검증하는 일은 사실 예상보다 훨씬 어려운 일입니다. 왜냐하면 Type Ia 초신성의 폭발이 매우 드물게 일어나기 때문이죠. 사실 이런일은 우리 은하에서 몇 세기에 한 번 생길까 말까 하나 정도로 드문 일입니다. 다만 우주에는 무수히 많은 은하가 있기에 지금까지 수많은 Type Ia 초신성 폭발을 발견했을 뿐이죠. 

 그러나 당연한 이야기지만 이 초신성들은 모두 지구에서 아주 멀리 떨어져 있습니다. 따라서 백색왜성과 그 동반성(태양 같은 별이거나 혹은 적색 거성) 인지 아니면 두 개의 백색 왜성인지 검증할 방법이 사실상 전무했습니다. 

 2010년, 버클리 대학의 다니엘 카센(aniel Kasen, an associate professor of astronomy and physics at UC Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory) 교수는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 Type Ia 초신성 폭발시 어떤 특징을 가질 것인지를 연구했습니다. 이 연구는 나중에 Type Ia 초신성 폭발의 특징을 연구해서 어떤 모델이 옳은 지 검증할 수 있는 이론적 토대를 마련한 것입니다. 

 이후 국제 천문학자 팀은 팔로마 산 천문대에 마련된 intermediate Palomar Transient Factory (iPTF)라는 장비를 이용해서 결정적 단서를 찾기 위해 노력했습니다. 이 작업은 미국과 유럽의 여러 과학자들에 의해 수행되었습니다. 그러던 중 마침내 지구에서 3억 광년 떨어진 은하인 IC831에서 Type Ia 초신성인 iPTF14atg의 폭발을 발견하게 됩니다. 

 과학자들은 나사의 스위프트 우주 망원경을 비롯한 여러 장비로 이 초신성을 관측해 이 초신성이 내놓는 자외선 파장 등이 single degenerate 모델에 부합한다는 사실을 입증했습니다. 

 이는 큰 성과지만, 사실 다른 초신성 관측에서는 double-degenerate 모델을 지지하는 결과가 나왔다는 사실 역시 주목할 필요가 있습니다. 즉 초신성 폭발 모델 두 가지가 모두 옳을 가능성이 있다는 것입니다. 즉 어떤 방법으로든 임계 질량에 도달할 수만 있다면 Type Ia 초신성 폭발이 일어날 수 있는 것으로 생각됩니다. 

 앞으로 더 많은 연구가 필요하겠지만, Type Ia 초신성의 생성 메카니즘의 비밀이 이제 점차로 규명되는 것으로 보입니다. 

 이 연구는 네이처에 실렸습니다. 


 참고 

A strong ultraviolet pulse from a newborn type Ia supernova, Nature, DOI: 10.1038/nature14440



   
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