백색 왜성 폭발은 놀라운 양의 고에너지 감마선을 방출한다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2022-03-15 10:48:57
3'30" 읽기
- 7,500광년 떨어진 RS Ophiuchi(오피우치)에서 폭발
- 처음으로 고에너지 감마선 범위에서 백색 왜성의 신성 추적
- 신성에 의해 방출된 물질의 입자가 이론상 최대값에 가까운 값으로 가속됐다.
- 새로운 관측으로 백색 왜성에 대한 폭발도 우주선 생성에 기여할 수 있음 확인
신성은 쌍성계에서 백색 왜성이 "과식"할 때 발생한다. 즉, 질량이 임계 한계인 찬드라세카르 한계(Chandrasekhar-Limit)를 초과할 때까지 동반하는 별에서 물질을 빨아들인다. 결과적으로 팽창된 외피에서 열핵 연쇄 반응이 일어나 폭발한다. 이러한 신성은 많은 양의 방사선을 방출했으며 맨눈으로도 하늘에서 볼 수 있다.
무거운 별의 초신성과 달리 백색 왜성은 신성 상태를 유지한다. 따라서 다음 노바가 나올 때까지 카니발 풍습(이웃 동종 별을 흡수)을 계속할 수 있다.
백색 왜성이 폭발 한다.
이제 천문학자들은 감마선 범위에서 그러한 신성을 처음으로 관찰했다. 이것은 7,500 광년 떨어진 쌍성계 RS Ophiuchi에서 신성 폭발에 의해 가능했다. 그 안에서 백색 왜성과 적색 거성은 지구와 태양 사이의 거리의 거의 1.5배의 거리에서 서로를 공전한다. 백색 왜성은 동반자로부터 지속적으로 물질을 끌어오기 때문에 신성이 계속해서 발생한다. 1889년에서 2006년 사이에만 8개가 있었다.
2021년 8월 8일 광학 망원경은 뱀주인자리 RS에서 그러한 신성 폭발을 다시 감지했다. 나미비아에 있는 H.E.S.S. 천문대의 연구원과 NASA의 페르미 우주 망원경(Fermi Space Telescope) 팀을 포함해 전 세계의 천문학자들은 즉시 경고를 받았다. 방출된 감마선을 이용해 한 달 동안 우주 폭발의 과정을 추적할 수 있게 된 것이다.
높은 에너지와 강도의 감마선
H.E.S.S. 신성 프로그램 책임자인 에를랑겐-뉘른베르크 대학의 앨리손 미첼(Alison Mitchell)은 "이것은 매우 높은 에너지의 감마선 빛에서 신성을 처음으로 관찰한 것"이라고 말했다. 이 고에너지 복사의 유형과 강도는 이제 백색 왜성에서 일어나는 사건에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 무엇보다도 관찰 결과 신성은 감마선도 방출하고 놀라울 정도로 높은 강도에 도달할 수 있음이 확인됐다.
천문학자들이 결정함에 따라 RS Ophiuchi의 감마선은 테라전자볼트(TeV) 범위까지 높은 강도에 도달했다. 망원경은 처음에 저에너지 감마선의 증가를 기록했고, 그 다음으로 고에너지 감마선이 약 2일 지연된 것으로 나타났다. 전반적으로 방출된 감마선의 양은 너무 커서 이 신성은 이전에 그러한 폭발에 대해 생각했던 것보다 수백 배 더 높은 에너지로 양성자와 다른 입자를 가속시켰을 것이다.
쇼크 프론트에 의해 쫓겨났다.
도대체 이 방사선은 어디에서 오는가?
"가장 가능성 있는 시나리오는 양성자와 기타 원자핵이 팽창하는 폭발 충격전선에서 급격히 가속돼 적색 거성이 우주로 불어오는 항성풍의 압축 물질과 충돌할 것이라는 것이다. 이것이 감마선을 방출한다”고 Max Planck Institute for Nuclear Physics의 공동 저자 브라이언 레빌(Brian Reville)이 설명했다.
팀은 광학 데이터를 사용해 RS Ophiuchi의 충격 전선이 초당 수천 킬로미터의 속도로 우주로 돌진했다고 추정한다. 총체적으로 이 신성은 1043 에르그의 에너지를 방출할 수 있었는데, 이는 초당 4,000km로 가속되는 지구 물질의 0.3 질량에 해당한다.
이론상 최대치에 가깝다.
놀라운 점은 신성에 의해 방출된 물질의 입자가 이론상 최대값에 가까운 값으로 분명히 가속되었다는 것이다. 공동 저자인 DESY의 Ruslan Konno는 "우주 충격파에서 입자 가속도의 이론적인 한계에 도달할 수 있다는 관찰은 천체 물리학에 엄청난 의미가 있다"고 Zeuthen에 있는 DESY의 Ruslan Konno가 말했다. "이는 가속 과정이 훨씬 더 극단적인 우주 폭발, 즉 소위 초신성에서도 효율적일 수 있음을 시사한다.”
이것에 대한 흥미로운 점은 신성이 이전에 생각했던 것보다 우주선에 더 많이 기여할 수 있다는 것이다. 이것은 우주의 모든 곳에 존재하며 고에너지의 빠르게 날아가는 아원자 입자로 구성된다. 그러나 이 유비쿼터스 방사선의 출처는 부분적으로만 밝혀졌다. 새로운 관측은 이제 백색 왜성에 대한 폭발도 기여할 수 있음을 보여준다.
RS Ophiuchi에 대해 천문학자들은 다음과 같이 계산했다.
"각 신성 사건은 1입방 센티미터 부피의 입방체를 0.1전자볼트/입방 센티미터의 에너지 밀도로 채우기에 충분한 우주선을 생성한다. 이것은 초신성에 의해 생성되는 것과 같은 크기다. 우리 지역 은하계 환경의 우주선 방사선"이라고 팀은 말했다. 입방 파섹은 모서리 길이가 약 3.2광년인 입방체에 해당한다.
(Science, 2022; doi:10.1126/science.abn0567)
출처: Max Planck Society, Deutsches Elektronennsynchrotron DESY
- 7,500광년 떨어진 RS Ophiuchi(오피우치)에서 폭발
- 처음으로 고에너지 감마선 범위에서 백색 왜성의 신성 추적
- 신성에 의해 방출된 물질의 입자가 이론상 최대값에 가까운 값으로 가속됐다.
- 새로운 관측으로 백색 왜성에 대한 폭발도 우주선 생성에 기여할 수 있음 확인
입자 가속기로서의 신성(新星, Nova)
백색 왜성 폭발은 놀라운 양의 고에너지 감마선을 방출한다.
열핵 충격:
천문학자들이 처음으로 고에너지 감마선 범위에서 백색 왜성의 신성을 추적할 수 있었다. 이것은 7,500광년 떨어진 RS Ophiuchi(뱀주인자리Ophiuchus 여름철 남쪽하늘에서 관찰되는 별자리)에서의 폭발이 이론적인 최대치에 가까운 아원자 입자subatomic particle 를 가속하기에 충분한 에너지를 방출했음을 보여주었다. 신성(Nova) 폭발은 효율적인 우주선 가속기이며 연구팀이 "Science"에서 보고하는 것처럼 우주선(宇宙線)을 가능케 하는 기여 원인이다.
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| ▲ RS-Ophiuchi 쌍성계에서 신성 폭발의 맹렬한 충격파는 거대한 모래시계와 비슷하다(일러스트레이션). © DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab |
신성은 쌍성계에서 백색 왜성이 "과식"할 때 발생한다. 즉, 질량이 임계 한계인 찬드라세카르 한계(Chandrasekhar-Limit)를 초과할 때까지 동반하는 별에서 물질을 빨아들인다. 결과적으로 팽창된 외피에서 열핵 연쇄 반응이 일어나 폭발한다. 이러한 신성은 많은 양의 방사선을 방출했으며 맨눈으로도 하늘에서 볼 수 있다.
무거운 별의 초신성과 달리 백색 왜성은 신성 상태를 유지한다. 따라서 다음 노바가 나올 때까지 카니발 풍습(이웃 동종 별을 흡수)을 계속할 수 있다.
백색 왜성이 폭발 한다.
이제 천문학자들은 감마선 범위에서 그러한 신성을 처음으로 관찰했다. 이것은 7,500 광년 떨어진 쌍성계 RS Ophiuchi에서 신성 폭발에 의해 가능했다. 그 안에서 백색 왜성과 적색 거성은 지구와 태양 사이의 거리의 거의 1.5배의 거리에서 서로를 공전한다. 백색 왜성은 동반자로부터 지속적으로 물질을 끌어오기 때문에 신성이 계속해서 발생한다. 1889년에서 2006년 사이에만 8개가 있었다.
2021년 8월 8일 광학 망원경은 뱀주인자리 RS에서 그러한 신성 폭발을 다시 감지했다. 나미비아에 있는 H.E.S.S. 천문대의 연구원과 NASA의 페르미 우주 망원경(Fermi Space Telescope) 팀을 포함해 전 세계의 천문학자들은 즉시 경고를 받았다. 방출된 감마선을 이용해 한 달 동안 우주 폭발의 과정을 추적할 수 있게 된 것이다.
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| ▲ RS Ophiuchi 시스템에서 백색 왜성은 적색 거성에서 물질을 빨아들인다. © DESY/H.E.S.S., Science Communication Lab |
높은 에너지와 강도의 감마선
H.E.S.S. 신성 프로그램 책임자인 에를랑겐-뉘른베르크 대학의 앨리손 미첼(Alison Mitchell)은 "이것은 매우 높은 에너지의 감마선 빛에서 신성을 처음으로 관찰한 것"이라고 말했다. 이 고에너지 복사의 유형과 강도는 이제 백색 왜성에서 일어나는 사건에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 무엇보다도 관찰 결과 신성은 감마선도 방출하고 놀라울 정도로 높은 강도에 도달할 수 있음이 확인됐다.
천문학자들이 결정함에 따라 RS Ophiuchi의 감마선은 테라전자볼트(TeV) 범위까지 높은 강도에 도달했다. 망원경은 처음에 저에너지 감마선의 증가를 기록했고, 그 다음으로 고에너지 감마선이 약 2일 지연된 것으로 나타났다. 전반적으로 방출된 감마선의 양은 너무 커서 이 신성은 이전에 그러한 폭발에 대해 생각했던 것보다 수백 배 더 높은 에너지로 양성자와 다른 입자를 가속시켰을 것이다.
쇼크 프론트에 의해 쫓겨났다.
도대체 이 방사선은 어디에서 오는가?
"가장 가능성 있는 시나리오는 양성자와 기타 원자핵이 팽창하는 폭발 충격전선에서 급격히 가속돼 적색 거성이 우주로 불어오는 항성풍의 압축 물질과 충돌할 것이라는 것이다. 이것이 감마선을 방출한다”고 Max Planck Institute for Nuclear Physics의 공동 저자 브라이언 레빌(Brian Reville)이 설명했다.
팀은 광학 데이터를 사용해 RS Ophiuchi의 충격 전선이 초당 수천 킬로미터의 속도로 우주로 돌진했다고 추정한다. 총체적으로 이 신성은 1043 에르그의 에너지를 방출할 수 있었는데, 이는 초당 4,000km로 가속되는 지구 물질의 0.3 질량에 해당한다.
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| ▲ 페르미와 H.E.S.S의 에너지 스펙트럼 RS Ophiuchi nova에서 측정된 감마선. © H.E.S.S. Collaboration |
이론상 최대치에 가깝다.
놀라운 점은 신성에 의해 방출된 물질의 입자가 이론상 최대값에 가까운 값으로 분명히 가속되었다는 것이다. 공동 저자인 DESY의 Ruslan Konno는 "우주 충격파에서 입자 가속도의 이론적인 한계에 도달할 수 있다는 관찰은 천체 물리학에 엄청난 의미가 있다"고 Zeuthen에 있는 DESY의 Ruslan Konno가 말했다. "이는 가속 과정이 훨씬 더 극단적인 우주 폭발, 즉 소위 초신성에서도 효율적일 수 있음을 시사한다.”
이것에 대한 흥미로운 점은 신성이 이전에 생각했던 것보다 우주선에 더 많이 기여할 수 있다는 것이다. 이것은 우주의 모든 곳에 존재하며 고에너지의 빠르게 날아가는 아원자 입자로 구성된다. 그러나 이 유비쿼터스 방사선의 출처는 부분적으로만 밝혀졌다. 새로운 관측은 이제 백색 왜성에 대한 폭발도 기여할 수 있음을 보여준다.
RS Ophiuchi에 대해 천문학자들은 다음과 같이 계산했다.
"각 신성 사건은 1입방 센티미터 부피의 입방체를 0.1전자볼트/입방 센티미터의 에너지 밀도로 채우기에 충분한 우주선을 생성한다. 이것은 초신성에 의해 생성되는 것과 같은 크기다. 우리 지역 은하계 환경의 우주선 방사선"이라고 팀은 말했다. 입방 파섹은 모서리 길이가 약 3.2광년인 입방체에 해당한다.
(Science, 2022; doi:10.1126/science.abn0567)
출처: Max Planck Society, Deutsches Elektronennsynchrotron DESY
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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