먼지속에 파묻혀 있는 거대한 폭발

그림1>  ALMA의 관측 데이터를 기반으로 그린 GRB 020819B 주변에 대한 상상화.  Credit:NAOJ

 

 

먼지속에 파묻혀 있는 거대한 폭발

 

ALMA를 이용한 관측을 통해 사상처음으로  우주의 가장 강력한 폭발인 감마선 폭발(gamma-ray bursts, GRBs)이 발생한 은하의 분자가스와 먼지들의 지도를 직접적으로 그려낼 수 있었다.

정말 놀랍게도 예측된 것보다 훨씬 적은 가스와 훨씬 많은 먼지들이 관측되면서 이 감마선 폭발은 "어두운 감마선 폭발(dark GRBs)"로 그 모습을 드러냈다.

이번 관측 결과는 2014년 6월 12일 네이처 지에 발표되었으며 이는 ALMA를 이용한 관측으로서는 첫번째 감마선 폭발에 대한 논문이 되었다.
또한 이번 연구 결과는 ALMA가 감마선 폭발에 대해 보다 제대로 이해할 수 있게 해주는 가능성을 보여준 것이라 할 수 있다.

 

감마선 폭발이란 멀리 떨어진 은하에서 극도의 에너지가 관측되는 강력한 폭발로서 이는 우주에서 가장 밝은 폭발을 만들어내는 현상이다.

 

2초 이상 지속되는 폭발은 장시간 감마선 폭발(long-duration gamma-ray bursts, LGRBs)로 알려져 있으며[1], 무거운 질량을 가진 별이  최후를 맞아 강력한 폭발을 일으키는 초신성 폭발과 연관이 있다.

 

전형적인 감마선 폭발들은 불과 수초만에 우리 태양이 100억년동안 소모할 수 있을만큼의 에너지를 한꺼번에 쏟아낸다.
폭발 바로 뒤로는 천천히 사그러드는 복사가 따라오는데 잔광(afterglow)으로 알려진 이 현상은 폭발과정에서 분출된 물질과 그 주변을 둘러싸고 있는 가스간의 충돌에 의해 만들어지는 것으로 생각되고 있다.

 

그런데 몇몇 감마선 폭발들은 잔광을 동반하지 않는 수수께끼를 가지고 있는데 이를 일컬어 어두운 감마선 폭발이라 이야기한다.
이에 대한 한가지 가설은 잔광에 의한 복사가 먼지 구름에 의해 흡수되는 것이라고 추측하고 있다.

 

최근 몇년동안 과학자들은 감마선 폭발이 발생하는 은하를 관측하여 어떻게 감마선 폭발이 형성되는지에 대한 이해의 폭을 넓혀왔다.

 

천문학자들은 감마선 폭발의 원인이 되는 무거운 별들이 은하에서 활발하게 별들이 생성되는 곳에 위치하고 있을 것이라고 예상해왔으며 이로서 감마선 폭발의 원인이 되는 별들이 별 생성의 원료가 되는 상당한 규모의 분자 가스들에 둘러싸여 있는 것으로 생각해왔다.

 

그러나 이러한 이론을 뒷받침할만한 관측증거가 존재하지 않았기 때문에 이에 대한 추측은 여전히 미스터리로 남아 있다.

 

그리고 이번에 사상 처음으로 일본 국립 천문대의 분요 하츠카데(Bunyo Hatsukade)가 이끄는 일본의 천문연구팀이 ALMA를 이용하여 각각 43억광년과 69억 광년 떨어진 은하에서 GRB 020819B 와  GRB 051022라는 두 개의 어두운 감마선 폭발로부터 발생한 분자 가스의 라디오파 복사를 감지해냈다.

 

비록 이와 같은 라디오파 복사는 감마선 폭발이 발생한 은하에서는 일체 관측되지 않았으나 ALMA는 유례없는 감도를 활용하여 이를 관측해 낼 수 있었다.[2]

 

도쿄 대학의 교수이자 이번 연구팀의 일원인 코타로 코노(Kotaro Kohno)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 지난 10여년 동안 세계 각지의 망원경을 이용하여 감마선 폭발이 발생한 은하의 분자 가스를 탐색해왔습니다.
이러한 지난한 작업의 결과 우리는 드디어 ALMA의 능력을 통해 인상적으로 난국을 타개할 수 있었죠.
우리는 우리가 이뤄낸 성과에 매우 흥분된 상태랍니다."

 

또다른 놀라운 성과는 ALMA의 고해상도를 이용하여 감마선 폭발이 발생한 은하에서 분자가스와 먼지의 분포를 알아낼 수 있었다는 것이다.

 

 

Credit: Bunyo Hatsukade(NAOJ), ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진1> 이 사진은 GRB 020819B가 발생한 은하의 사진이다.
왼쪽은 분자가스로 측정된 라디오파이고 가운데는 먼지의 라디오파이다. 두 개 모두 ALMA에 의해 관측된 것이다.
오른쪽 사진은 가시광선으로 촬영한 것으로 페드릭 C. 질레트 제미니 북반구 망원경으로 촬영된 것이다.
십자 조준선이 위치하는 곳이 감마선 폭발이 발생한 지역이다.

 

GRB 020819B 의 관측을 통해 감마선이 발생한 은하의 외곽에 먼지가 가득 들어찬 환경을 밝혀낼 수 있었는데, ALMA가 아니었다면 이 분자 가스들은 중심부 주변에서만 발견되었을 것이다.
이번 발견은 감마선 폭발이 관측된 은하로서는 처음으로 그 분포가 감지된 것이다.[3]

하츠카데의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이처럼 먼지에 비해 분자가스가 적게 존재하는 환경에서 감마선 폭발이 발생할 것이라고는 상상하지 못했습니다.
이번 관측결과는 감마선 폭발이 일반적인 별 생성 지역과는 전혀 다른 환경에서 발생한다는 것을 시사하고 있습니다."  
 
이러한 사실은 또한 감마선 폭발로서 생을 마감하는 무거운 별이 폭발하기 전 주위의 환경을 바꾸어버린다는 점을 알려주고 있다.

연구원들은 감마선 폭발이 발생하는 지역에서 분자가스에 비해 풍부하게 존재하는 먼지를 자외선 복사에 반응 양상이 다르다는 것을 통해 설명할 수 있을 것으로 믿고 있다.

 

분자를 구성하는 원자들간의 결속력은 자외선에 의해 쉽게 파괴될 수 있기 때문에, 분자가스는 궁극적으로 감마선 폭발을 일으킬 별들을 포함하는 별 생성 구역의 뜨겁고 무거운 별들로부터 쏟아져 나오는 강력한 자외선에 노출될 때 더 이상 생명력을 유지할 수 없게 된다는 것이다.

 

비록 유사한 분포가 GRB 051022의 경우에도 관측되긴 했지만 이 결과는 아직 해상력의 부족으로 인해서 확정되지는 않았다.
(GRB 051022가 관측된 은하는 GRB 020819B가 관측된 은하보다 훨씬 멀리 위치하고 있다.)

 

어떠한 경우든간에 이번 ALMA의 관측은 먼지가 잔광복사를 흡수하면서 어두운 감마선 폭발의 원인이 된다는 가설을 지지해 주고 있다.

 

하츠카데의 소감은 다음과 같다.
"이번에 이뤄진 연구 결과는 우리의 예상을 뛰어넘는 것이었습니다.
우리는 다른 감마선 폭발 은하들에 대한 관측을 통해 이와 같은 현상이 감마선 폭발이 발생하는 지역에서 일반적인 환경인지를 알아내는 연구를 계속할 것입니다.
우리는 앞으로 더더욱 향상된 ALMA의 기능들을 이용해 연구를 계속할 수 있기를 희망하고 있습니다."

 

 

그림 2>  ALMA의 관측 데이터를 기반으로 그린 GRB 020819B 주변에 대한 상상화. Credit:NAOJ

 

각주

[1] 장시간 감마선 폭발은 2초 이상 지속되는 폭발로서 관측되는 감마선 폭발의 70%가 여기에 해당한다. 
지난 십여년 동안의 연구를 통해 감마선 폭발의 종류로서 2초 이하만 지속되는 짧은 감마선 폭발(the short-duration GRBs)이 분리되었는데 짧은 감마선 폭발은 중성자 별의 충돌에 기인하는 것으로 생각되며 초신성 또는 극초신성과의 연관성은 존재하지 않는다.

 

[2] ALMA의 감도는 유사한 다른 망원경에 비해 약 5배의 고감도를 가지고 있다.
ALMA를 활용한 최초의 관측은 2011년 배열의 일부를 활용하여 먼저 시작되었다. 
이 관측은 125미터 너비에 각각 도열해 있는 24~27개의 안테나로 구성된 배열을 통해 수행되었다. 
마지막 66번째 안테나의 설치가 완료됨으로서 ALMA는 150미터에서 16킬로미터 반경에 이르는, 여러 형태의 배열이 가능한 망원경으로서 가까운 미래에 새로운 발견이 가능하게 될 것이다.
  
[3] 분자가스의 질량에 대한 먼지의 질량은 우리 은하나 근거리의 별 생성 구역에서는 대략 1%정도에 지나지 않는다. 
그러나 GRB 020819B 주변에서는 이보다 10배 이상의 먼지가 관측되었다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 6월 11일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1418/

 

참고 : GRB 020819B를 비롯한 다양한 감마선 폭발에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다. 
          https://big-crunch.tistory.com/12346988

 

원문>

Gigantic Explosions Buried in Dust

ALMA probes environment around dark gamma-ray bursts

11 June 2014

Observations from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have for the first time directly mapped out the molecular gas and dust in the host galaxies of gamma-ray bursts (GRBs) — the biggest explosions in the Universe. In a complete surprise, less gas was observed than expected, and correspondingly much more dust, making some GRBs appear as “dark GRBs”. This work will appear in the journal Nature on 12 June 2014 and is the first ALMA science result on GRBs to appear. It shows ALMA’s potential to help us to better understand these objects.

Gamma-ray bursts (GRBs) are intense bursts of extremely high energy observed in distant galaxies — the brightest explosive phenomenon in the Universe. Bursts that last more than a couple of seconds are known as long-duration gamma-ray bursts (LGRBs) [1] and are associated with supernova explosions — powerful detonations at the ends of the lives of massive stars.

In just a matter of seconds, a typical burst releases as much energy as the Sun will in its entire ten-billion-year lifetime. The explosion itself is often followed by a slowly fading emission, known as an afterglow, which is thought to be created by collisions between the ejected material and the surrounding gas.

However, some gamma-ray bursts mysteriously seem to have no afterglow — they are referred to as dark bursts. one possible explanation is that clouds of dust absorb the afterglow radiation.

In recent years, scientists have been working to better understand how GRBs form by probing their host galaxies. Astronomers expected that the massive stars that were GRB progenitors would be found in active star-forming regions in these galaxies, which would be surrounded by a large amount of molecular gas — the fuel for star formation. However, there had been no observational result to back up this theory, leaving a long-standing mystery.

For the first time, a Japanese team of astronomers led by Bunyo Hatsukade from the National Astronomical Observatory of Japan, have used ALMA to detect the radio emission from molecular gas in two dark LGRB hosts — GRB 020819B and GRB 051022 — at about 4.3 billion and 6.9 billion light-years, respectively. Although such radio emission had never been detected in the GRB host galaxies, ALMA made it possible with its unprecedentedly high sensitivity [2].

Kotaro Kohno, a professor at the University of Tokyo and a member of the research team, said, “We have been searching for molecular gas in GRB host galaxies for over ten years using various telescopes around the world. As a result of our hard work, we finally achieved a remarkable breakthrough using the power of ALMA. We are very excited with what we have achieved.”

Another remarkable achievement made possible by the high resolution of ALMA was uncovering the distribution of molecular gas and dust in GRB host galaxies. Observations of the GRB 020819B revealed a remarkably dust-rich environment in the outskirts of the host galaxy, whereas molecular gas was found only around its centre. This is the first time that such a distribution among GRB host galaxies has been revealed [3].  

“We didn’t expect that GRBs would occur in such a dusty environment with a low ratio of molecular gas to dust. This indicates that the GRB occurred in an environment quite different from a typical star-forming region,” says Hatsukade. This suggests that massive stars that die as GRBs change the environment in their star-forming region before they explode.

The research team believes that a possible explanation for the high proportion of dust compared to molecular gas at the GRB site is the difference in their reactions to ultraviolet radiation. Since the bonds between atoms which make up molecules are easily broken by ultraviolet radiation, molecular gas cannot survive in an environment exposed to the strong ultraviolet radiation produced by the hot, massive stars in its star-forming region, including the one that would eventually explode as the observed GRB. Although a similar distribution is also seen in the case of GRB 051022, this has yet to be confirmed due to the lack of resolution (as the GRB 051022 host is located further away than the GRB 020819B host). In any case, these ALMA observations support the hypothesis that it is dust that absorbs the afterglow radiation, causing the dark gamma-ray bursts.

“The results obtained this time were beyond our expectations. We need to carry out further observations with other GRB hosts to see if this could be general environmental conditions of a GRB site. We are looking forward to future research with the improved capability of ALMA,” says Hatsukade.

Notes

[1] Long-duration gamma-ray bursts (LGRBs), bursts lasting for over two seconds, account for about 70% of observed GRBs.  Developments over the past decade have recognised a new class of GRBs with bursts of less than two seconds, the short-duration GRBs, likely due to merging neutron stars and not associated with supernovae or hypernovae.

[2] The sensitivity of ALMA in this observation was about five times better than other similar telescopes. Early scientific observations with ALMA began with a partial array in 2011 (eso1137). These observations were done with an array only consisting of 24–27 antennas with separations of up to only 125 metres. The completion of the last of the 66 antennas (eso1342) offers great promise of what ALMA may be capable of revealing in the near future, as the antennas can be arranged in different configurations, with maximum distances between antennas varying from 150 metres to 16 kilometres.

[3] The proportion of dust mass to molecular gas mass is about 1% in the interstellar medium in the Milky Way and nearby star-forming galaxies, but it is ten or more times higher in the region surrounding GRB 020819B.

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 in Nature (12 June 2014) as an article titled “Two gamma-ray bursts from dusty regions with little molecular gas”, by B. Hatsukade et al.

The team is composed of B. Hatsukade (NAOJ, Tokyo, Japan), K. Ohta (Department of Astronomy, Kyoto University, Kyoto, Japan), A. Endo (Kavli Institute of NanoScience, TU Delft, The Netherlands), K. Nakanishi (NAOJ; JAO, Santiago, Chile; The Graduate University for Advanced Studies (Sokendai), Tokyo, Japan), Y. Tamura (Institute of Astronomy [IoA], University of Tokyo, Japan ), T. Hashimoto (NAOJ) and K. Kohno (IoA; Research Centre for the Early Universe, University of Tokyo, Japan).

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”.

Links

• Research paper
• More about ALMA
• Photos of ALMA
• Videos of ALMA
• ALMA brochure
• The movie ALMA — In Search of our Cosmic Origins
• The ALMA Photo Book In Search of our Cosmic Origins – The Construction of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array
• More press releases with ALMA

Contacts

Bunyo Hatsukade
National Astronomical Observatory of Japan
Japan
Tel: +81-422-34-3900 (ext. 3173)
Email: bunyo.hatsukade@nao.ac.jp

Masaaki Hiramatsu
National Astronomical Observatory of Japan
Japan
Tel: +81-422-34-3630
Email: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp

Lars Lindberg Christensen
ESO education and Public Outreach Department
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6761
Cell: +49 173 3872 621
Email: lars@eso.org