우주에서 비정상적인 감마선 폭발은 수수께끼

기초과학 / 문광주 기자 / 2021-06-05 11:14:07
3'50" 읽기
* 10억 광년 거리 감마선 폭발은 일반적 이론과 다르다.
* 가시관선 보다 1조 배 강한 에너지 3.3테라전자볼트 관찰
* 체렌코프 망원경 배열 방식은 감마선 추적에도움

비정상적인 감마선 폭발은 수수께끼다.
가까운 감마선 폭발로 인한 잔광은 일반적인 이론과 모순된다.


놀랍게도 다른 점 :
특히 가깝고 밝은 감마선 폭발은 천문학자들을 당혹스럽게 한다.
그 잔광의 빛 곡선이 현재의 이론에 맞지 않기 때문이다. 이에 따르면 그러한 폭발의 특히 고 에너지 감마선은 X선과는 다른 과정을 통해 발생해야 한다. 연구팀이 전문저널 "Science"에 보고한 것처럼 약 10억 광년 떨어진 이 감마선 플래시에서는 그렇지 않은 것 같다. 

▲ 감마선의 긴 폭발은 전자가 별 폭발의 입자 분출(왼쪽 아래)에서 강하게 가속되어 X 선과 감마선을 방출 할 때

발생한다. © DESY / Science Communication Lab


감마선 폭발은 우주에서 가장 밝고 에너지 넘치는 현상 중 하나다.
그들의 고에너지 방사선은 수십억 광년 거리에서도 감지 될 수 있으며, 이러한 폭발 중 일부는 하늘에서 육안으로도 볼 수 있었다. 특히 짧은 감마선 폭발의 기원은 여전히 ​​논쟁의 여지가 있지만, 현재 이론에 따르면 긴 잔광을 동반한 감마선 폭발은 초신성(거대한 별의 폭발과 블랙홀로의 붕괴)에 의해 발생한다.

10억 광년 거리에서 감마선 플래시

최근 천문학자들은 여러 가지 방법으로 놀라운 감마선 폭발을 포착했다.
NASA 위성 Fermi와 Swift는 2019년 8월 29일에 X-ray 및 감마 범위에서 갑작스런 섬광을 처음으로 감지했다. 몇 분 후, 이 분출의 추가 발전과 잔광을 추적하기 위해 여러 개의 지구 기반 망원경이 켜지면서 GRB 190829A가 다른 파장 범위에서 명명됐다.

첫 번째 데이터는 이미 이 감마선 폭발이 다음으로 관찰된 그 종류의 사건 중 하나임을 보여주었다. 강렬한 방사선의 근원은 겨우 10억 광년 거리에서 였다. 감마선 폭발의 경우 이것은 상대적으로 가까운 거리다. 독일 전자 싱크로트론 DESY의 공동 저자 앤드류 테일러(Andrew Taylor)는 "우리는 이 감마선의 일선에서 터지는 것을 정말로 목격 했다"고 말했다.

에너지 넘치는 잔광을 먼저 봐

이러한 근접성을 통해 팀은 이전에 가능했던 것보다 훨씬 더 완벽하게 잔광의 가장 활기찬 부분을 포착할 수 있었다. 왜냐하면 몇 테라전자볼트(TeV)의 에너지에도 불구하고 감마 방사선은 일반적으로 광대한 우주 거리에 걸쳐 삼켜진다. 그러나 GRB 190829A로 천문학자들은 아프리카 나미비아에 있는 H.E.S.S. 천문대의 망원경으로 며칠에 걸쳐 처음으로 감마-잔광을 추적할 수 있었다.

Max Planck의 공동 저자 엔다 루이즈 벨라스코(Edna Ruiz-Velasco)는 "이것이 이 감마선 폭발을 매우 특별하게 만드는 이유다. 우리의 직접적인 우주 이웃에서 발생해 매우 높은 에너지의 광자가 배경 광과의 충돌에 흡수되지 않았다"고 Max Planck의 하이델베르크의 핵물리학 연구소 공동 저자 엔다 루이즈-벨라스코(Edna Ruiz-Velasco)가 설명했다.
"우리는 GRB 190829A의 스펙트럼을 최대 3.3테라전자볼트(TeV)의 에너지까지 측정 할 수 있었는데, 이는 가시광선보다 약 1조 배 더 에너지가 많다."
▲ NASA의 스위프트 위성은 감마선 폭발을 감지 한 최초의 관측소 중 하나였다. © DESY / Science Communication Lab

방사선 패턴은 이론과 모순된다.

관찰 결과 잔광에서 감마선의 광 곡선이 평행 X선 광의 광 곡선과 놀랍도록 유사하다는 것이 밝혀졌다. 두 성분 모두 거의 동시에 희미해졌고 감마 방사선의 스펙트럼은 X-선과 유사한 특성을 나타냈다. 따라서 감마 스펙트럼은 X-선 스펙트럼을 더 높은 에너지 영역으로 확장하는 것과 같은 역할을 했다.

놀라운 사실 :
이러한 관찰은 이 두 가지 형태의 방사선의 기원에 대한 현재 이론과 모순된다.
그 후, 잔광의 X 선 복사는 싱크로트론과 유사한 방식으로 생성된다. 폭발의 충격파는 전자를 거의 빛의 속도로 가속시킨 다음 강한 자기장의 영향으로 X선 빛을 방출한다.

잔광의 감마선 성분은 다르다.
일반적인 가정에 따르면, 그것은 두 번째 단계인 SSC(Synchrotron Self Compton)에서만 발생한다. 이 경우 강하게 가속된 전자는 동료가 생성한 싱크로트론 광자와 충돌하여 더 높은 에너지로 올린다. 더 짧은 파장의 감마 방사선은 X-선에서 생성된다.

설명에 따라 검색

그러나 이 이론적 시나리오는 GRB 190829A에서 관찰된 것과 일치하지 않는다.
X-선과 감마선은 분명히 다른 스펙트럼과 빛 곡선을 보여야 하기 때문이다. 그러나 이것은 사실이 아니다. 대신 두 방사선 성분 사이의 큰 유사성은 이들이 동일한 공정에 의해 생성되었음을 시사한다. 새로운 관찰은 고전적인 2단계 모델에 의문을 제기한다.

이것이 어떻게 가능하고 어떤 물리적 프로세스가 그 뒤에 있는지에 대한 의문을 낳는다.
지금까지 연구자들은 이것에 대해서만 추측할 수 있다. 한 가지 가능성은 별 폭발에 의해 생성된 입자 제트가 이전에 예상했던 것보다 더 강력하게 가속되었다는 것이다.
이것은 폭발의 동적 모델과 조화를 이루기 어려울 것이라고 팀에 따르면. 입자가 다른 에너지 분포를 가지고 있다고 생각할 수도 있지만 주변 우주 매체에서 극한 조건이 필요하다.

더 가까운 감마선 폭발에 대한 희망

천문학자들은 이제 더 많은 감마선 폭발을 관찰하면 더 많은 정보를 얻을 수 있기를 바라고 있다. 가까운 감마선 폭발만이 그러한 상세한 데이터를 제공한다. 이는 극히 드문 경우다.
GRB 190829A는 잔광에서 충분한 감마선을 표시할 만큼 충분히 가까운 네 번째 감마선 폭발일 뿐이다.

▲ 체렌코프 망원경 배열의 망원경은 우주선의 신비를 푸는 데 도움이된다.

© Akihiro Ikeshita, Mero-TSK, International / CC-by-nc-nd 2.0


"현재 칠레 안데스산맥과 라팔마의 카나리아 섬에 건설 중인 Cherenkov Telescope Array와 같은 차세대 기기는 정기적으로 이러한 감마선 폭발을 추적할 가능성이 매우 높다"고 HESS 하이델베르크 주립 천문대의 스테판 와그너 대변인이 말했다.
(Science, 2021; doi : 10.1126 / science.abe8560)
출처 : German Electron Synchrotron DESY

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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