(Using the High Energy Sterescopic System H.E.S.S., astrophysicists have identified colliding stellar winds from the double star Eta Carinae as a new type of source of very high-energy (VHE) cosmic gamma radiation. Credit: DESY, Science Communication Lab)
독일 전자 싱크로트론 연구소 (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY)의 과학자들이 지구에서 7500광년 떨어진 초거상 쌍성계인 용골자리 에타별 (Eta Carinae)에서 자연적인 입자 가속이 일어나고 있다는 증거를 발견했습니다. 용골자리 에타별은 태양 질량의 30배와 100배에 달하는 초거성 두 개로 이뤄진 쌍성계로 밝기가 태양의 100만배와 500만배에 달합니다.
이 두 별은 5.5년을 주기로 공전하는데, 긴 타원궤도를 돌고 있어 가까울 때는 태양 - 화성 거리만큼 접근하고 멀어질때는 해왕성 거리 만큼 멀이집니다. 그리고 엄청난 항성풍으로 인해 두 별은 불과 5000년 동안 태양 정도의 질량을 잃고 있습니다. 이들이 내뿜은 가스는 눈사람 모양의 거대 성운은 호문클루스 성운을 이루고 있습니다.
DESY의 과학자들은 나미비아에 있는 특수한 감마선 관측 망원경인 High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.)를 사용해서 용골자리 에타별을 관측했습니다. 연구팀은 두 별에서 나오는 강력한 항성풍이 만드는 고온의 가스와 충격파를 관측했는데, 흥미롭게도 X선 영역보다 더 높은 에너지인 400GeV를 검출할 수 있었습니다. 이는 가시광보다 1000억 배 강한 에너지입니다.
용골자리 에타별 A와 B에서 나오는 강력한 항성풍은 가까이에서 충돌해 엄청난 에너지를 지닌 충격파를 만들지만, 그래도 온도는 섭씨 5000만도 정도입니다. 낮은 온도는 아니지만, 400GeV의 에너지를 설명하기에는 부족합니다. 따라서 연구팀은 뭔가 다른 기전이 있어 이렇게 고에너지 파장이 검출된다고 결론내렸습니다.
(동영상)
연구팀이 수립한 두 가지 가설은 강력한 자기장에 의해 전자 혹은 원자핵이 가속되어 에너지가 높아진 것입니다. 그러나 실제 관측된 100GeV 이상의 강력한 에너지는 전자 가속으로는 설명하기 어려우며 결국 원자핵이 입자 가속기에서처럼 가속되어 생긴 에너지로 보인다는 것이 연구팀의 결론입니다. 양성자 (수소 원자핵) 혹은 더 무거운 원자핵 (헬륨이나 다른 금속)이 가속된 후 그 에너지가 방출되면서 400GeV라는 입자 가속기에서나 볼 수 있는 에너지가 나왔다는 것입니다.
용골자리 에타별은 워낙 극단적인 환경이 지배하는 별이기 때문에 과거부터 과학자들의 이목을 집중시켰습니다. 이번 연구 결과는 천연 입자 가속기라는 생각지도 못한 존재가 숨어 있다는 것을 보여줬습니다. 앞으로 연구가 진행됨에 따라 또 어떤 재미있는 이야기가 나올지 궁금합니다.
참고
Detection of very-high-energy γ-ray emission from the colliding wind binary η Car with H.E.S.S., Astronomy & Astrophysics (2020). DOI: 10.1051/0004-6361/201936761
R. White et al. Gamma-ray and X-ray constraints on non-thermal processes in η Carinae, Astronomy & Astrophysics (2020). dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201937031
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