초신성의 먼지공장을 관측하다.

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/A. Angelich. Visible light image: the NASA/ESA Hubble Space Telescope. X-Ray image: The NASA Chandra X-Ray Observatory

사진1> 이 사진은 서로다른 여러 파장의 빛으로 바라본 초신성 1987A의 잔해모습을 보여주고 있다.

붉은 색으로 표시된 ALMA의 데이터는 이 잔해 중심부에 새로 형성된 먼지들을 보여주고 있다.

초록색의 허블우주망원경 데이터와 파란색의 찬드라 우주망원경의 데이터는 팽창하는 충격파를 보여주고 있다.

 

 

초신성의 먼지공장을 관측하다.

 

ALMA를 이용하여 이제 갓 만들어진 먼지들이 흘러넘치는 최근의 초신성 잔해를 보여주고 있는 인상적인 장면이 촬영되었다.

만약 성간 우주공간으로 흘러넘쳐나갈만큼 충분한 먼지들이 만들어진다면, 이는 얼마나 많은 은하들이 먼지를 가득 뒤집어쓴 모습을 보이고 있는지에 대해 설명할 수 있게 될 것이다.
 

은하들은 두드러지게 먼지들이 가득찬 공간들[1]을 가지고 있으며 특히 초기 우주에서 초신성들은 이러한 먼지들의 근원일 것으로 생각되고 있다.
그러나 초신성의 먼지들이 만들어낼 수 있는 먼지의 양에 대한 직접적인 증거로는 아직까지 미미한 수준이며 우리로부터 멀리 떨어진 초기의 은하들에서 감지되는 풍부한 먼지의 양에는 대응이 될 수 없는 상황이다.

 

그러나 지금 ALMA의 관측은 이러한 사실을 변화시키고 있다.
버지니아 주립대학 샬럿빌 캠퍼스와 국립전파 천문대의 천문학자인 레미 인데베투프(Remy Indebetouw)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 상대적으로 어리고 가까운 거리에 존재하는 초신성으로부터 분출된 물질들의 중심부근에 대량으로 몰려있는 인상적인 먼지덩이들을 발견했습니다.
이번 발견은 사상처음으로 먼지들이 만들어지는 곳을 실제로 촬영해낼 수 있음을 알려준 것이고 이것은 은하의 진화를 이해하는데 매우 중요한 요소에 해당합니다."

 

천문학자들로 구성된 국제 연구팀은 ALMA를 이용하여 지구로부터 대략 16만 광년 거리에서 우리 은하 주위를 공전하고 있는 왜소은하인 대마젤란 성운에 위치하고 있는 초신성 1987A[2]의 불타오르는 잔해들을 관측하였다.
초신성 1987A는 케플러가 1604년 우리 은하에서 발생한 초신성을 관측한 이래 가장 가까운 거리에서 관측된 초신성이다.

 

천문학자들은 폭발로부터 가스가 식어갈수록, 온도가 내려간 초신성 잔해의 중심지역에서 산소와 탄소, 규소원자들이 서로 얽혀 상당한 양의 먼지를 만들어낼 것이라고 예측한 바 있다.
그러나 폭발로부터 처음 500일이 지나는 동안 적외선 망원경을 통해 이 초신성을 관측한 초기 관측 자료에서는 적은 양의 뜨거운 먼지들만이 관측되었다.

 

ALMA의 전례없는 해상도와 감도를 이용하여 연구팀은 좀더 많은 양의 차가운 먼지들을 촬영할 수 있었으며 이 먼지들은 밀리미터와 서브밀리미터 대역에서 밝게 빛나고 있었다.
천문학자들은 이 초신성 잔해들이 태양질량의 25퍼센트 정도에 달하는 새로 생성된 먼지들을 포함하고 있을 것으로 예측하였다.
연구팀은 또한 주목할만한 양의 일산화탄소와 일산화규소가 형성되었음도 발견하였다.

 

인데베투프의 설명은 다음과 같다.
"초신성 1987A는 특별한 지역입니다. 왜냐하면 이 지역은 그 주변과 일체 섞이지 않았기 때문이죠.

따라서 우리는 바로 그곳에서 만들어진 물질들만 보고 있는 것입니다. 이번 새로운 ALMA의 관측결과는 초신성 잔해가 수십년전에는 존재하지 않았던 물질들의 기반이 되고 있다는 점을 보여주고 있는 거랍니다.

 

그러나 초신성은 먼지알갱이들을 만들기도하지만 파괴시키기도 한다.
초신성이 처음 폭발을 시작하면서 우주공간으로 충격파를 뿜어낼 때는 초기 허블 우주망원경의 관측 자료에서 보이는바와 같이 고리 모양으로 불타오르는 밝은 물질들을 만들어냈다.
삶의 거의 마지막 단계에 다다른 적색 거성으로부터 떨어져 나온 가스껍질들이 가열된 후 이 강력한 폭발의 일정부분은 다시 초신성 잔해의 중심부를 향해 떨어져내렸다.

 

인데베투프의 이어지는 설명은 다음과 같다.
"몇몇 경우 이렇게 다시 추락한 충격파는 갓 만들어진 상당량의 부풀어오른 먼지 덩어리와 충돌했을 것입니다.
이 과정에서 어떤 먼지 파편들은 사그러들었을 수도 있을 겁니다.
그렇게 사그러든 먼지의 양이 얼마나 될지 예측하는 것은 어려운 일입니다만 아주 조금의 먼지만이 그렇게 됐을 수도 있고, 아마도 거의 절반 또는 3분의 2정도의 양까지 사그러들 수도 있었으리라 생각됩니다."
 

만약 이 먼지 파편들이 계속 살아남아 성간 우주공간으로 유입되었다면 이는 천문학자들이 초기 우주에서 관측하고 있는 풍부한 양의 먼지에 대응될 수 있을것이다.

 

런던 컬리지 대학의 미카코 맛수라(Mikako Matsuura)의 설명은 다음과 같다.
"정말이지 초기 우주에는 놀랄만큼 많은 먼지들이 있고, 이 먼지들이 은하의 진화에서 주요한 역할을 수행하고 있습니다.
오늘날 우리는 여러가지 방법으로 이 먼지들이 만들어진다는 것을 알고 있습니다만, 초기 우주에서 먼지의 상당량은 반드시 초신성으로부터 만들어졌을 것이라 생각합니다.
우리가 결국 이러한 이론을 뒷받침하는 직접적인 증거를 발견해낸 셈이죠."

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF)

그림1> 이 상상화는 실제 데이터에 입각하여 그려진 초신성 1987A의 모습으로 이번에 ALMA에 의해 감지된 엄청난 양의 먼지들이 존재하는 별폭발 잔해의 안쪽부분(붉은색으로 표시된 부분)을 보여주고 있다.

이 안쪽 지역은 최초 강력한 폭발당시 분출된 가스덩어리들과 폭발파동이 충돌하고 있는 외곽 껍데기 부분(레이스처럼 장식된 하얀색과 파란색의 원들)과 대조를 이루고 있다.

 

 

Credit: ESO/R. Fosbury (ST-ECF)

 

사진 2> 타란툴라 성운과 그 주변의 모습을 1평방도로 담아낸 사진이다.

거미형상을 한 타란툴라 성운이 사진 상단 중앙으로 보인다.

여기서 약간 우측 아래로 거미줄처럼 얽힌 곳이 그 유명한 초신성 1987A가 위치하는 곳이다.

NGC 2100으로 알려져 있는 어린 성단이 왼쪽으로 보이고 수많은 붉은 빛의 성운들이 사진에 함께 담겨 있다.

 

각주

[1] 우주먼지들은 규소와 흑연알갱이들로 이루어져 있으며 이 광물들은 지구에도 풍부하게 존재한다. 
비록 양초의 그을음에서 발견되는 흑연알갱이들의 크기는 우주 흑연알갱이들의 일반적인 크기보다 10배 이상 더 크지만, 그 성분은 우주의 흑연 먼지들과 유사하다.

 

[2] 이 초신성의 불빛은 1987년 지구에 도착했으며 초신성의 이름은 이를 반영한 것이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 1월 6일자
           http://www.eso.org/public/news/eso1401/

 

참고 : 초신성 1987A를 비롯한 각종 초신성 및 초신성 잔해에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

원문>

ALMA Spots Supernova Dust Factory

 

6 January 2014

Striking new observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope capture, for the first time, the remains of a recent supernova brimming with freshly formed dust. If enough of this dust makes the perilous transition into interstellar space, it could explain how many galaxies acquired their dusty, dusky appearance.

 

Galaxies can be remarkably dusty places [1] and supernovae are thought to be a primary source of that dust, especially in the early Universe. But direct evidence of a supernova's dust‐making capabilities has been slim up to now, and could not account for the copious amount of dust detected in young, distant galaxies. But now observations with ALMA are changing that.

 

"We have found a remarkably large dust mass concentrated in the central part of the ejecta from a relatively young and nearby supernova," said Remy Indebetouw, an astronomer at the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) and the University of Virginia, both in Charlottesville, USA. "This is the first time we've been able to really image where the dust has formed, which is important in understanding the evolution of galaxies."

 

An international team of astronomers used ALMA to observe the glowing remains of Supernova 1987A [2], which is in the Large Magellanic Cloud, a dwarf galaxy orbiting the Milky Way about 160 000 light‐years from Earth. SN 1987A is the closest observed supernova explosion since Johannes Kepler's observation of a supernova inside the Milky Way in 1604.

 

Astronomers predicted that as the gas cooled after the explosion, large amounts of dust would form as atoms of oxygen, carbon, and silicon bonded together in the cold central regions of the remnant. However, earlier observations of SN 1987A with infrared telescopes, made during the first 500 days after the explosion, detected only a small amount of hot dust.

 

With ALMA's unprecedented resolution and sensitivity, the research team was able to image the far more abundant cold dust, which glows brightly in millimetre and submillimetre light. The astronomers estimate that the remnant now contains about 25 percent the mass of the Sun in newly formed dust. They also found that significant amounts of carbon monoxide and silicon monoxide have formed.

 

"SN 1987A is a special place since it hasn't mixed with the surrounding environment, so what we see there was made there," said Indebetouw. "The new ALMA results, which are the first of their kind, reveal a supernova remnant chock full of material that simply did not exist a few decades ago."

 

Supernovae, however, can both create and destroy dust grains.

 

As the shockwave from the initial explosion radiated out into space, it produced bright glowing rings of material, as seen in earlier observations with the NASA/ESA Hubble Space Telescope. After hitting this envelope of gas, which was sloughed off by the progenitor red giant star as it neared the end of its life, a portion of this powerful explosion rebounded back towards the centre of the remnant. "At some point, this rebound shockwave will slam into these billowing clumps of freshly minted dust," said Indebetouw. "It's likely that some fraction of the dust will be blasted apart at that point. It's hard to predict exactly how much — maybe only a little, possibly a half or two thirds." If a good fraction survives and makes it into interstellar space, it could account for the copious dust astronomers detect in the early Universe.

 

"Really early galaxies are incredibly dusty and this dust plays a major role in the evolution of galaxies," said Mikako Matsuura of University College London, UK. "Today we know dust can be created in several ways, but in the early Universe most of it must have come from supernovae. We finally have direct evidence to support that theory."

 

Notes

 

[1] Cosmic dust consist of silicate and graphite grains — minerals also abundant on Earth. The soot from a candle is very similar to cosmic graphite dust, although the size of the grains in the soot are ten or more times bigger than typical grain sizes of cosmic graphite grains.

 

[2] Light from this supernova arrived at Earth in 1987, as is reflected in the name.

 

More information

 

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

 

This research was presented in a paper “Dust Production and Particle Acceleration in Supernova 1987A Revealed with ALMA”, by R. Indebetouw et al., to appear in the Astrophysical Journal Letters.

 

The team is composed of R. Indebetouw (National Radio Astronomy Observatory (NRAO); University of Virginia, Charlottesville, USA), M. Matsuura (University College London, United Kingdom [UCL]), E. Dwek (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), G. Zanardo (International Centre for Radio Astronomy Research, University of Western Australia, Crawley, Australia [ICRAR]), M.J. Barlow (UCL), M. Baes (Sterrenkundig Obst Gent, Gent, Belgium), P. Bouchet (CEA-Saclay, Gif-sur-Yvette, France), D.N. Burrows (The Pennsylvania State University, University Park, USA), R. Chevalier (University of Virginia, Charlottesville, USA), G.C. Clayton (Louisiana State University, Baton Rouge,USA), C. Fransson (Stockholm University, Sweden), B. Gaensler (Australian Research Council Centre of Excellence for All-sky Astrophysics [CAASTRO]; Sydney Institute for Astronomy, The University of Sydney, Australia), R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), M.Lakicevic (Lennard-Jones Laboratories, Keele University, UK), K.S. Long (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA [STScI]), P. Lundqvist (Stockholm University, Sweden), I. Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, onsala Space Observatory, onsala, Sweden), J. Marcaide (Universidad de Valencia, Burjassot, Spain), R. McCray (University of Colorado at Boulder, USA), M. Meixner (STScI; The Johns Hopkins University, Baltimore, USA), C.-Y. Ng (The University of Hong Kong, Hong Kong), S. Park (University of Texas at Arlington, Arlington, USA), G. Sonneborn (STScI), L. Staveley-Smith (ICRAR; CAASTRO), C. Vlahakis (Joint ALMA Observatory/European Southern Observatory, Santiago, Chile) and J. van Loon (Lennard-Jones Laboratories, Keele University, UK).

 

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become "the world’s biggest eye on the sky".

 

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