초신성 주위의 우주먼지들이 어떻게 생성되는지를 밝혀내다.

 

Credit: ESO/M. Kornmesser

 

그림1> 이 상상화는 초신성 폭발시 그 주변에서 먼지들어 만들어지는 양상을 묘사하고 있다.

VLT를 이용한 관측결과는 이 우주먼지 공장이 먼지 알갱이들을  만들어내는 두 개 과정을 보여주고 있다.
우주먼지는 초신성 폭발이후 곧바로 만들어지기 시작하여 오랜 기간동안 지속되고 있음이 밝혀진 것이다.

 

VLT가 우주먼지의 미스테리를 풀어내다. - 초신성 주위의 우주먼지들이 어떻게 생성되는지를 밝혀내다.

 

일단의 천문학자들이 초신성 폭발의 여파 속에서 우주먼지들이 생성되어가는 과정을 실시간으로 추적해냈다.

이 우주의 먼지 공장으로부터 먼지 알갱이들의 형성이 초신성 폭발 바로 다음에 시작되어 수년에 걸쳐 형성되어가는 두 단계 과정을 처음으로 보여준 것이다.

연구팀은 칠레 북부에 위치하고 있는 ESO VLT를 이용하여 초신성 SN2010jl이 서서이 사그라드는 과정을 분석했다.

이번 연구 결과는 2014년 7월 9일 네이처 지 온라인판에 개재되었다.

 

많은 은하들에서 보이는 우주 먼지의 기원은 여전히 미스테리로 남아있다[1].

 

천문학자들은, 특히 초기 우주에서는, 초신성이 우주먼지를 만들어내는 주요 원천일 것으로 생각하고 있지만, 이 먼지 알갱이들이 어떻게 그리고 어디서 밀집되고 몸집을 키워가는지에 대해서는 여전히 명확하지 않은 점들이 존재한다.

또한 이 먼지 알갱이들은 별을 만들어내고 있는 은하의 거친 환경속에서 어떻게 파괴를 피할 수 있었는지 역시 모호한 채로 남아 있다.

 

그러나 이번에 ESO의 VLT를 활용한 관측을 통해 처음으로 그 베일을 걷어낼 수 있게 된 것이다.

국제연구팀은 X-슈터 분광기를 이용하여 SN2010jl로 알려져 있는 초신성을 관측했다.
폭발이 발생한 후 몇 개월 동안 9차례의 관측이 있었으며 2년 반 후 10번째 관측을 했는데, 이 관측은 모두 가시광선과 근적외선 파장을 이용하여 수행되었다[2].

무거운 별이 최후를 맞으면서 만들어진 이 독특하게 밝은 초신성은 소규모 은하인 UGC 5189A에서 폭발하였다.

 

이번 논문의 주저자인 덴마크 오르후스 대학교 크리스타 갈(Christa Gall)의 설명은 다음과 같다.
"초기에 이루어진 9개의 관측 데이터를 같이 분석함으로써, 우리는 초신성 주변을 둘러싼 우주 먼지들이 서로 다른 색깔의 빛을 어떻게 흡수하는지 직접적으로 분석할 수 있었답니다.
이를 통해서 우리는 이전에는 알기 불가능했던 우주먼지에 대해 훨씬 더 많은 사실들을 발견할 수 있었죠."

 

연구팀은 우주먼지의 형성이 초신성이 폭발하자마자 바로 시작되었으며 이후 오랜시간동안 지속되었음을 알게 되었다.

새로운 측정자료들은 또한 우주먼지 알갱이들의 크기와 이들이 무엇으로부터 만들어지는지를 밝혀주었다. 

 

이번 발견은 ALMA를 이용하여 그 유명한 초신성인 SN 1987A로부터 갓 만들어진 우주먼지들이 넘쳐나는 모습을 관측한 최근의 관측을 한 걸음 뛰어넘는 발견이다.
(블로그 쥔장 주 : 먼지를 왕성하게 만들어내는 초신성 SN1987A에 대한 ESO의 뉴스는 다음 링크를 참조할 것 : https://big-crunch.tistory.com/12347021 )

연구팀은 이 먼지알갱이들의 지름이 1/1000 밀리미터 이상의 크기를 가지고 있으며 별 주위에 고밀도로 뭉쳐있는 물질들로부터 빠르게 형성된다는 것을 알아냈다.

 

비록 인간의 견지에서보자면 이 크기는 매우 작은 크기이지만, 우주먼지의 수준에서보면 이는 매우 큰 크기이며 이처럼 놀랍도록 큰 크기 덕분에 파괴적인 과정을 견뎌낼 수 있었던 것이다.

어떻게 이 우주먼지 알갱이들이 초신성 잔해의 파괴적이고 격렬한 환경에서 살아남을 수 있었는지가 ALMA의 관측을 근거로 발표된 논문에서는 여전히 주요한 의문으로 남아 있었지만 이번 연구에서 그 답이 제시된 셈이다.

그 답은 먼지 알갱이들의 크기가 예상보다 크다는 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 덴마크 코펜하겐 대학, 닐스보어 연구소의 얜스 효르드(Jens Hjorth)의 설명은 다음과 같다.
"초신성의 폭발이 있자마자 예상보다 큰 먼지 알갱이들이 감지됐다는 것은 이 먼지 알갱이들을 빠르고 효율적으로 만드는 기재가 있다는 것을 의미합니다. 

어떻게 이런 일이 발생하는지에 대해서는 아직 정확히는 모르고 있죠."

그러나 천문학자들은 이 새로운 먼지들이 반드시 어디에서 형성되는지에 대해서는 알고 있다.
이 물질들은 별이 폭발되기 전에 이미 별이 우주공간으로 쏟아낸 물질들 속에서 형성되는 것이다.

 

초신성의 충격파가 외곽으로 뻗어나갈 때, 이 충격파는 차가운 고밀도의 가스층을 만들어낸다.
이것은 먼지 알갱이들의 씨가 뿌려지고 그 몸집을 불려나가는 바로 그 환경의 한 종류인 것이다.

 

관측결과는 또한 두 번째 단계를 보여주고 있었다.
이것은 초신성 폭발이 있은지 수백일이 지난 후에 발생하는 것으로서 초신성폭발로부터 분출된 물질이 포함되면서 먼지의 형성이 가속된다는 것이다.

만약 SN1010jl에서 먼지가 만들어지는 작용이, 관측에서 나타난 기조를 향후 25년간 계속 유지한다면 먼지의 총 질량은 대략 태양 질량의 반 정도에 달하게 될 것이다.

 

크리스타 갈의 결론은 다음과 같다.
"천문학자들은 초신성 폭발 후 남겨진 잔해에서 풍부하게 존재하는 먼지들을 관측해왔습니다.
그러나 예전까지는 초신성 폭발에서 실제 만들어지는 먼지의 양은 얼마 안된다는 증거만이 발견되었죠.
그러나 이번 관측 결과는 이러한 명백한 모순이 어떻게 풀릴 수 있는지를 설명해주고 있는 것이랍니다."

 

 

Credit: ESO

 

사진1> 이 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 불규칙 왜소은하 UGC 5189A의 모습이다.

새로운 별들을 만들어내고 있는 이 은하는 밝은 초신성 SN 2010jl이 발견된 곳이다.

VLT를 이용한 관측결과는 이 우주먼지 공장이 먼지 알갱이들을  만들어내는 두 개 과정을 보여주고 있다.
우주먼지는 초신성 폭발이후 곧바로 만들어지기 시작하여 오랜 기간동안 지속되고 있음이 밝혀진 것이다.

이 사진은 초신성 폭발이 발생하기 이전에 촬영된 사진으로서 초신성 폭발로 삶을 마친 별의 위치가 화살표로 표시되어 있다.

 

 

각주

[1] 우주먼지는  지구에도 풍부하게 존재하는 광물인 규산염과 비정형 탄소 알갱이들로 구성되어 있다.

양초에서 발생하는 검댕이들은 우주의 탄소 먼지와 매우 유사하지만, 양초 검댕이의 크기는  우주 먼지 알갱이 크기의 열배 이상의 크기를 가지고 있다.
   

[2] 이 초신성의 폭발로부터 발생한 빛이 처음으로 감지된 것은 2010년이었다. 
SN 2010jl은 발견시기를 따서 명명된 이름이다.

이 초신성은 IIn 유형의 초신성으로 분류된다. 
II 유형의 초신성은 태양보다 최소 8배 이상의 질량을 가진 무거운 별의 격렬한 폭발로 발생하는 초신성이다. 
II유형 초신성의 하위 분류인 IIn유형의 초신성에서 "n"은 '좁은(narrow)'을 의미하는데 이는 스펙트럼 상의 수소흡수선들이 좁게 나타나는 것을 의미한다. 
이 선들은 초신성으로부터 분출된 물질과 별의 주위를 둘러싸고 있는 물질들간에 상호작용의 결과로 만들어지는 것이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 7월 9일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1421/
         

참고 : SN 2010jl을 비롯한 다양한 초신성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989 

 

원문>

VLT Clears Up Dusty Mystery

New observations reveal how stardust forms around a supernova

9 July 2014

A group of astronomers has been able to follow stardust being made in real time — during the aftermath of a supernova explosion. For the first time they show that these cosmic dust factories make their grains in a two-stage process, starting soon after the explosion, but continuing for years afterwards. The team used ESO's Very Large Telescope (VLT) in northern Chile to analyse the light from the supernova SN2010jl as it slowly faded. The new results are published online in the journal Nature on 9 July 2014.

The origin of cosmic dust in galaxies is still a mystery [1]. Astronomers know that supernovae may be the primary source of dust, especially in the early Universe, but it is still unclear how and where dust grains condense and grow. It is also unclear how they avoid destruction in the harsh environment of a star-forming galaxy. But now, observations using ESO’s VLT at the Paranal Observatory in northern Chile are lifting the veil for the first time.

An international team used the X-shooter spectrograph to observe a supernova — known as SN2010jl — nine times in the months following the explosion, and for a tenth time 2.5 years after the explosion, at both visible and near-infrared wavelengths [2]. This unusually bright supernova, the result of the death of a massive star, exploded in the small galaxy UGC 5189A.

“By combining the data from the nine early sets of observations we were able to make the first direct measurements of how the dust around a supernova absorbs the different colours of light,” said lead author Christa Gall from Aarhus University, Denmark. “This allowed us to find out more about the dust than had been possible before.”

The team found that dust formation starts soon after the explosion and continues over a long time period. The new measurements also revealed how big the dust grains are and what they are made of. These discoveries are a step beyond recent results obtained using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), which first detected the remains of a recent supernova brimming with freshly formed dust from the famous supernova 1987A (SN 1987A; eso1401).

The team found that dust grains larger than one thousandth of a millimetre in diameter formed rapidly in the dense material surrounding the star. Although still tiny by human standards, this is large for a grain of cosmic dust and the surprisingly large size makes them resistant to destructive processes. How dust grains could survive the violent and destructive environment found in the remnants of supernovae was one of the main open questions of the ALMA paper, which this result has now answered — the grains are larger than expected.

“Our detection of large grains soon after the supernova explosion means that there must be a fast and efficient way to create them,” said co-author Jens Hjorth from the Niels Bohr Institute of the University of Copenhagen, Denmark, and continued: “We really don’t know exactly how this happens.”

But the astronomers think they know where the new dust must have formed: in material that the star shed out into space even before it exploded. As the supernova's shockwave expanded outwards, it created a cool, dense shell of gas — just the sort of environment where dust grains could seed and grow.

Results from the observations indicate that in a second stage — after several hundred days — an accelerated dust formation process occurs involving ejected material from the supernova. If the dust production in SN2010jl continues to follow the observed trend, by 25 years after the supernova, the total mass of dust will be about half the mass of the Sun; similar to the dust mass observed in other supernovae such as SN 1987A.

“Previously astronomers have seen plenty of dust in supernova remnants left over after the explosions. But they also only found evidence for small amounts of dust actually being created in the supernova explosions. These remarkable new observations explain how this apparent contradiction can be resolved,” concludes Christa Gall.

Notes

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

[2] Light from this supernova was first seen in 2010, as is reflected in the name, SN 2010jl. It is classed as a Type IIn supernova. Supernovae classified as Type II result from the violent explosion of a massive star with at least eight times the mass of the Sun. The subtype of a Type IIn supernova — “n” denotes narrow — shows narrow hydrogen lines in its spectra. These lines result from the interaction between the material ejected by the supernova and the material already surrounding the star.

More information

This research was presented in a paper “Rapid formation of large dust grains in the luminous supernova SN 2010jl”, by C. Gall et al., to appear online in the journal Nature on 9 July 2014.

The team is composed of Christa Gall (Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, Denmark; Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark; Observational Cosmology Lab, NASA Goddard Space Flight Center, USA), Jens Hjorth (Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), Darach Watson (Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), Eli Dwek (Observational Cosmology Lab, NASA Goddard Space Flight Center, USA), Justyn R. Maund (Astrophysics Research Centre School of Mathematics and Physics Queen’s University Belfast, UK; Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark; Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, UK), Ori Fox (Department of Astronomy, University of California, Berkeley, USA), Giorgos Leloudas (The Oskar Klein Centre, Department of Physics, Stockholm University, Sweden; Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), Daniele Malesani (Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark) and Avril C. Day-Jones (Departamento de Astronomia, Universidad de Chile, Chile).

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
• ALMA Spots Supernova Dust Factory
• More about X-Shooter
• More about the VLT

Contacts

Christa Gall
Aarhus University
Denmark
Cell: +45 53 66 20 18
Email: cgall@phys.au.dk

Jens Hjorth
Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
Email: jens@dark-cosmology.dk

Richard Hook
ESO education and Public Outreach Department
Garching bei München, Germany

Tel: +49 89 3200 6655
Email: rhook@eso.org