짧은 감마선 폭발의 원인을 확증하다.

 

사진 1> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 두 개의 소규모고밀도 천체의 충돌로부터 생성되는 별폭발의 새로운 양상을 밝혀주었다.

            허블은 우주 전역에서 나타나는 강력한 고에너지 복사의 미스테리 섬광인 짧은 감마선 폭발의 여파를 관측하는 동안 이 폭발을 감지해냈다.

            짧은 감마선 폭발(short- duration gamma-ray burst)은 길어봐야 수초동안만 지속된다.

            그러나 이들은 간혹 가시광선과 근적외선 대역에서 희미한 잔광을 남기고 이 잔광이 수일 또는 수시간동안 지속되면서 
            천문학자들로 하여금 폭발이 발생한 정확한 장소를 특정할 수 있도록 해준다.

 

            왼쪽 사진의 중앙에 있는 은하가 GRB 130603B로 등재된 감마선 폭발을 발생시킨 은하이다.

            이 은하는 SDS J112848.22+170418.5로 등재되어 있는 은하로서 40억광년 거리에 위치하고 있다.

            허블 WFC3가 이 은하를 탐색한 것은 2013년 6월 13일이며,

            이때 감마선 폭발을 발생시킨 원인체가 근적외선에서에서 밝게 빛나고 있는 것을 발견해냈다. 오른쪽 상단의 사진이 그것이다.

            동일한 위치를 7월 3일 다시 탐색하였으며 이때 원인체는 사그라든 상태였다. 그 사진이 오른쪽 하단에 나타나 있다.

 

            이렇게 사그라든 불꽃은 킬로노바(Kilonova)라 불리는 새로운 유형의 별 폭발로부터 발생한 불덩어리가 사그라들었음을 알려주는

            핵심적인 증거가 되는 것이다.

            킬로노바는 일반적인 백색왜성의 분출로부터 발생하는 일반적인 신성현상의 밝기보다 1천배정도 밝은 빛을 쏟아낸다.

            그러나 거대한 중력의 별이 스스로 붕괴되면서 만들어지는 초신성 폭발의 밝기보다는 1/10에서 1/100 정도 덜 밝다.

 

 

The full news release story:

   허블우주망원경이 짧은 감마선 폭발은 한 쌍의 중성자 별이나 중성자 별과 블랙홀과 같은 두 개의 고밀도 천체간의 충돌에 의해 촉발됐을 것이라는
가장 강력한 증거를 제공하였다.

이 결정적인 증거는 허블우주망원경이 근적외선을 활용하여 짧은 감마선 폭발의 여파에 의해 생성된 희미한 불꽃을 관측하여 알아낸 것이다.

 

이 잔광은 사상처음으로 짧은 감마선 폭발을 발생시키는 것으로 예견된 폭발현상인 '킬로노바(kilonova)라 불리는, 새로운 양상의 별의 폭발을 밝혀주었다. 

킬로노바 현상은 백색왜성의 분출에 의해서 발생하는 일반적인 신성보다 1천배나 밝다.

그러나 이와 같은 별의 폭발에서 발생하는 밝기는, 무거운 별이 스스로 폭발하면서 발생하는 전형적인 초신성의 밝기에 비교한다면 1/10 ~ 1/100 정도에 지나지 않는다.

 

감마선 폭발 현상은 강력한 에너지 복사를 발생시키는 미스테리의 섬광으로서 이는 우주의 어느 방향에서나 발생하는 현상이다.

짧은 감마선 폭발은 길어야 몇 초동안 지속되지만, 이들은 간혹 가시광선과 근적외선 대역에서 잔광을 남기기도 하며 이는 수시간에서 수일동안 지속된다.

이 잔광을 통해 천문학자들은 감마선 폭발이 어느정도 떨어진 은하에서 발생한 것인지를 결정하게 되는 것이다.

 

그러나 짧은 감마선 폭발의 원인은 여전히 미스테리로 남아 있다.

가장 일반적으로 받아들여지는 이론으로 천문학자들은 두 개의 소규모 고밀도 천체가 충돌할 때 발생하는 에너지 방출로 이를 설명하고 있다.

그러나 아직까지 천문학자들은 이를 입증할만한 강력한 증거를 모으지 못했다고 과학자들은 말한다.

 

영국 레스터 대학이 니얼 탄비어(Nial Tanvir)가 이끄는 연구진은 허블우주망원경을 이용하여 최근 발생한 짧은 감마선 폭발을 근적외선으로 관측하였다.

그리고 이 관측을 통해 킬로노바 폭발의 희미한 잔광이 천체간의 충돌때문에 발생한다는 가설에 대한 강력한 증거를 발견하였다.

 

탄비어의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측은 짧은 감마선 폭발의 기원에 대한 미스테리를 완전히 해소한 것입니다.
 우리 연구진을 포함한 많은 관측자들은 2초 이상 지속되는 긴 감마선 폭발이 극단적인 질량을 가진 별들의 붕괴에 의해 생성된다는 증거는 아주 많이 찾아내 

 왔습니다. 그러나 짧은 감마선 폭발이 소규모 고밀도 천체간의 충돌에 의해 발생한다는 예측에 대해서는 빈약한 정황증거만을 가지고 있었죠.

 이번 결과는 이러한 시나리오를 뒷받침하는 결정적인 증거를 제공한 것이랍니다."

천체물리학자들은 짧은 감마선 폭발이 연성계를 형성하고 있는 초고밀도의 중성자 별 한쌍이 서로 나선형으로 움직이고 있을 때 발생한다고 예견해왔다.

이러한 사건은 중력복사를 방출하기 때문에 시공간상에 미세한 파동을 만들어내게 된다.  

그리고 이 파동에 의해 에너지가 분산되면서 두 개 천체가 서로 가깝게 밀려가게 된다.

바로 수밀리초 이내에 두 개 천체는 충돌하게 되고, 이 파국의 소용돌이에서 높은 방사성 물질들이 쏟아져나오게 된다.

그리고 이 물질들이 가열되고 팽창하면서 강력한 폭발의 섬광을 발생시키게 된다.

 

 

그림 1> 이 일련의 삽화는 짧은 감마선 폭발의 형성의 모델을 그리고 있다.

           1. 한쌍의 중성자 별이 연성계를 이루며 나선형으로 공전하고 있다.

               공전의 운동량은 중력파동을 발산시키고 이것이 시공간상에 미세한 파동을 만들어낸다.

           2. 마지막 밀리초의 짧은 순간에 두 개 천체는 충돌하고 이로부터 고준위 방사성 물질들이 쏟아져나온다.
               이 물질들은 주위를 가열시키며 퍼져나가면서 킬로노바라고 불리는 빛의 폭발을 만들어낸다. 
               감마선 폭발은 1/10초 정도만 지속되지만 그 빛은 킬로노바가 만들어내는 섬광에 비해 1천억배나 밝다.

           3. 빛이 점점 사그라드는 불덩이는 가시광선을 막아서지만 적외선 대역에서는 복사를 계속한다.

           4. 충돌한 천체를 둘러싼 잔해 원반은 붕괴되면서 블랙홀을 만들어내는것 같다.

 

이 강력한 킬로노바 폭발은 가시광선과 근적외선 대역에서 태양이 수년간에 걸쳐 방출하는 에너지에 상응하는 에너지를 초단위로 방출하게 된다.

킬로노바 현상은 대략 일주일 정도 지속된다.

 

최근 버클리대학과 로렌스버클리 국립 연구소의 제니퍼 바네스(Jennifer Barnes)와 다니엘 카센(Daniel Kasen)이 발표한 논문에는
어떻게 킬로노바가 관측될 수 있는지를 예견한 새로운 공식이 제시되었다.

이들은 동일한 고온의 플라스마가 생성한 복사는 가시광선을 차단하는 역할을 수행하게 될 것이고, 킬로노바로부터 발생하는 에너지 분출은
수일동안 근적외선 대역에서 강하게 나타날 것이라고 예견했다.

 

이러한 모델을 테스트할 수 있는 예상치 못한 기회가 6월 3일 발생했는데, 이때 NASA의 스위프트 우주망원경이 GRB 130603B로 등재된 40억광년 거리의 은하에서 발생한 대단히 강력한 빛을 뿜어내는 감마선 폭발을 잡아낸 것이다.

비록 이때 발생한 최초 폭발섬광은 10분의 1초라는 짧은 순간 나타났지만 그 밝기는 이어서 나타난 킬로노바의 섬광보다 대략 1천억배나 밝았다.

 

가시광선에서 나타난 잔광은 윌리암 허셜 망원경에 의해 감지되었고, 이곳까지의 거리는 그랑 텔레스코피오 카나리아스(the Gran Telescopio Canarias)에 의해 계산되었는데, 이 두 개 망원경은 모두 카나리 제도에 위치하고 있다.

 

탄비어의 소감은 다음과 같다.
"우리는 이 사건이 바네스와 카센의 새로운 이론을 실험할 수 있는 절호의 기회라는 걸 바로 알아차렸죠.
 그래서 허블우주망원경을 이용하여 근적외선 대역에서 킬로노바를 찾아봤답니다."

 

이 공식에 의하면 빛은 최초의 폭발이 있은지 3일에서 11일 사이에 근적외선 대역에서 가장 밝게 빛날 것이라고 예견하고 있었다.

연구원들은 이 빛이 사그러들기 전에 빠르게 움직일 필요가 있었고, 그래서 허블 WFC3의 관측 시간 할당을 관장하는 감독관에게 관측을 요청하였다.

 

6월 12일, 13일에 허블 우주망원경은 최초 폭발이 발생한 지점을 관측했고 이곳에서 희미한 붉은 빛의 천체를 잡아낼 수 있었다.

그리고 이 데이터에 대한 독자적인 분석이 다른 연구팀에 의해 수행되었으며, 이로부터 허블의 관측 결과를 확정받을 수 있었다.

 

3주 후인 7월 3일에 속개된 허블의 관측에서는 이 천체가 사그러들어 없어졌음을 확인하였고,
이로인해 3주전에 관측된 불덩이가 폭발 사건으로부터 발생한 것이라는 핵심적인 증거로서 인정받게 되었다.

 

연구팀의 일원이자 우주망원경 과학 연구소의 일원인 앤드류 프럭터(Andrew Fruchter)의 설명은 다음과 같다.
"이전에 천문학자들은 짧은 감마선 폭발의 여파를 주로 가시광선을 이용하여 탐색했고, 감마선 폭발의 섬광 이외에는 아무것도 찾을 수가 없었죠.
 그러나 이번에 새로운 이론은 감마선 폭발 후 일주일 정도가 지났을 때, 가시광선과 근적외선 관측 자료를 비교해보면
 킬로노바가 적외선 대역에서 확실히 그 존재를 드러낼 것이라고 예견하고 있었던 것이고, 우리는 정확히 그것을 볼 수 있었던 것이랍니다."

 

이번 연구는 짧은 감마선 폭발의 본성을 확정했다는 것에 덧붙여 두 가지 중요한 의미를 가지고 있다.

첫째는 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 금이나 플래티넘과 같은 우주에 존재하는 수많은 무거운 화학원소들의 기원에 관한 것이다.
           킬로노바는 이와 같은 무거운 원소들을 풍부하게 만들어내는 것으로 예견되었고, 이 원소들이 우주로 흩뿌려지면서 

           새로운 별과 행성의 생성에 일부가 될 수 있다는 점이다.       

둘째는 고밀도의 소규모 천체가 충돌하면 알버트 아인슈타인이 최초에 예견한바와 같이 강력한 중력파동을 만들어낸다는 것이다.

 

중력파동은 아직 발견되지 않았지만는 현재 개발중인 새로운 장비를 이용하여 수년내에 관측이 가능할 것이다.

탄비어는 이제 킬로노바를 찾아냄으로 해서 천문학자들은 이 두 가지 현상을 발생시키는 사건을 하나로 묶어낼 수 있게 될 것이라고 말했다.

연구팀의 연구 결과는 8월 3일 네이처 온라인 판에 발표되었다.

 

* 출처 : 허블사이트 2013년 8월 3일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/29/

 

원문>

 

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

These images taken by NASA's Hubble Space Telescope reveal a new type of stellar explosion produced from the merger of two compact objects.

Hubble spotted the outburst while looking at the aftermath of a short- duration gamma-ray burst, a mysterious flash of intense high-energy radiation that appears from random directions in space. Short-duration blasts last at most a few seconds. They sometimes, however, produce faint afterglows in visible and near-infrared light that continue for several hours or days and help astronomers pinpoint the exact location of the burst.

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.

Object Names: GRB 130603B, SDS J112848.22+170418.5

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, N. Tanvir (University of Leicester), A. Fruchter (STScI), and A. Levan (University of Warwick)

 

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has provided the strongest evidence yet that short-duration gamma-ray bursts are triggered by the merger of two small, super-dense stellar objects, such as a pair of neutron stars or a neutron star and a black hole.

The definitive evidence came from Hubble observations in near-infrared light of the fading fireball produced in the aftermath of a short gamma-ray burst (GRB). The afterglow reveals for the first time a new kind of stellar blast called a kilonova, an explosion predicted to accompany a short-duration GRB.

A kilonova is about 1,000 times brighter than a nova, which is caused by the eruption of a white dwarf. Such a stellar blast, however, is only 1/10th to 1/100th the brightness of a typical supernova, the self-detonation of a massive star.

Gamma-ray bursts are mysterious flashes of intense high-energy radiation that appear from random directions in space. Short-duration blasts last at most a few seconds, but they sometimes generate faint afterglows in visible and near-infrared light that continue for several hours or days.

The afterglows have helped astronomers determine that GRBs lie in distant galaxies. The cause of short-duration GRBs, however, remains a mystery. The most popular theory is that astronomers are witnessing the energy released as two compact objects crash together. But, until now, astronomers have not gathered enough strong evidence to prove it, say researchers.

A team of researchers led by Nial Tanvir of the University of Leicester in the United Kingdom has used Hubble to study a recent short-duration burst in near-infrared light. The observations revealed the fading afterglow of a kilonova explosion, providing the "smoking gun" evidence for the merger hypothesis.

"This observation finally solves the mystery of the origin of short gamma-ray bursts," Tanvir said. "Many astronomers, including our group, have already provided a great deal of evidence that long-duration gamma-ray bursts (those lasting more than two seconds) are produced by the collapse of extremely massive stars. But we only had weak circumstantial evidence that short bursts were produced by the merger of compact objects. This result now appears to provide definitive proof supporting that scenario."

Astrophysicists have predicted that short-duration GRBs are created when a pair of super-dense neutron stars in a binary system spiral together. This event happens as the system emits gravitational radiation, tiny ripples in the fabric of space-time. The energy dissipated by the waves causes the two objects to sweep closer together. In the final milliseconds, as the two objects merge, the death spiral kicks out highly radioactive material. This material heats up and expands, emitting a burst of light. This powerful kilonova blast emits as much visible and near-infrared light every second as the Sun does every few years. A kilonova lasts for about a week.

In a recent science paper Jennifer Barnes and Daniel Kasen of the University of California, Berkeley, and the Lawrence Berkeley National Laboratory presented new calculations predicting how kilonovas should look. They predicted that the same hot plasma producing the radiation will also act to block the visible light, causing the gusher of energy from the kilonova to flood out in near-infrared light over several days.

An unexpected opportunity to test this model came on June 3 when NASA's Swift Space Telescope picked up the extremely bright gamma-ray burst, cataloged as GRB 130603B, in a galaxy located almost 4 billion light-years away. Although the initial blast of gamma rays lasted just one-tenth of a second, it was roughly 100 billion times brighter than the subsequent kilonova flash.

The visible-light afterglow was detected at the William Herschel Telescope and its distance was determined with the Gran Telescopio Canarias, both located in the Canary Islands.

"We quickly realized this was a chance to test Barnes' and Kasen's new theory by using Hubble to hunt for a kilonova in near-infrared light," Tanvir said. The calculations suggested that the light would most likely be brightest in near-infrared wavelengths about 3 to 11 days after the initial blast. The researchers needed to act quickly before the light faded, so they requested Director's Discretionary Observing Time with Hubble's Wide Field Camera 3.

On June 12-13 Hubble searched the location of the initial burst, spotting a faint red object. An independent analysis of the data from another research team confirmed the detection. Subsequent Hubble observations three weeks later, on July 3, revealed that the source had faded away, therefore providing the key evidence it was the fireball from an explosive event.

"Previously, astronomers had been looking at the aftermath of short-period bursts largely in optical light, and were not really finding anything besides the light of the gamma-ray burst itself," explained Andrew Fruchter of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., a member of Tanvir's research team. "But this new theory predicts that when you compare near-infrared and optical images of a short gamma-ray burst about a week after the blast, the kilonova should pop out in the infrared, and that's exactly what we're seeing."

In addition to confirming the nature of short GRBs, the discovery has two important implications. First, the origin of many heavy chemical elements in the universe, including gold and platinum, has long been a puzzle. Kilonovas are predicted to form such elements in abundance, spraying them out into space where they could become part of future generations of stars and planets.

Second, the mergers of compact objects are also expected to emit intense gravitational waves, first predicted by Albert Einstein. Gravity waves have not yet been discovered, but new instruments under development may make the first detections within a few years. "Now it seems that by hunting for kilonovas, astronomers may be able to tie together the events giving rise to both phenomena," Tanvir said.

The team's results will appear online on Aug. 3 in the journal Nature.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-339-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Nial Tanvir
University of Leicester, Leicester, U.K.
011-44-7980-136499
nrt3@le.ac.uk

Andy Fruchter
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-5018
fruchter@stsci.edu

 

그림1>

ABOUT THIS IMAGE:

This sequence illustrates a model for the formation of a short-duration gamma-ray burst.

1. A pair of neutron stars in a binary system spiral together. Orbital momentum is dissipated through the release of gravity waves, which are tiny ripples in the fabric of space-time.

2. In the final milliseconds, as the two objects merge, they kick out highly radioactive material. This material heats up and expands, emitting a burst of light called a kilonova. An accompanying gamma-ray burst lasts just one-tenth of a second, but is 100 billion times brighter than the kilonova flash.

3. The fading fireball blocks visible light but radiates in infrared light.

4. A remnant disk of debris surrounds the merged object, which may have collapsed to form a black hole.

Image Type: Illustration

Credit: NASA, ESA, and A. Field (STScI)