SN 2012Z : 좀비 별(Zombie Star)과 관련이 있는 이중성계의 초신성 폭발을 발견하다.

 

Credit: NASA, ESA, C. McCully and S. Jha (Rutgers University), R. Foley (University of Illinois), and Z. Levay (STScI) Acknowledgment: Hubble Heritage Team (STScI/AURA), and A. Riess (JHU/STScI)

 

사진1> 사진에서 두 개의 네모 박스는 NGC 1309 은하의 외곽에서 초신성 2012Z의 폭발이 발생하기 전과 후의 모습을 보여주고 있다.
사진 상단에 하얀색 X표시가 되어 있는 지점이 초신성 폭발이 발생한 위치이다.
2013년에 촬영된 네모 박스는 초신성을 보여주고 있다. 
그리고 그 이전 사진은 허블 우주망원경이 2005년과 2006년에 촬영한 것으로서 초신성 폭발 이전 백색왜성의 연성계를 보여주고 있다.
이 초신성은 연성계를 구성하는 별이었으며 헬륨 동반성으로부터 물질을 전달받아 폭발하게 된 백색왜성일 것으로 생각되고 있다.
이 초신성 폭발은 Iax 유형이라는,  초신성 폭발 분류에서 독특한 유형에 속하는 초신성이다.
이 유형에 속하는 초신성들은 역시 백색왜성이 포함된 연성계에서 폭발하는 일반적인 Ia 유형의 초신성 폭발보다는 에너지가 적으며 따라서 평균적으로 더 희미한 초신성 폭발을 만들어낸다.

 

좀비 별(Zombie Star)과 관련이 있는 이중성계의 초신성 폭발을 발견하다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 일반적인 별의 생애주기에서 마지막 단계에 대기를 모두 날려버리고 남은 백색왜성로서 최근 특이한 초신성 폭발을 일으킨 연성계를 처음으로 발견해냈다.
초신성 폭발이 발생하기 전에 촬영된 허블 우주망원경의 사진을 통해 천문학자들은 이곳에서 백색왜성의 푸른색 동반성을 발견한 바가 있다고 말했다.
이 백색왜성은 동반성으로부터 물질을 천천히 빨아들였으며 결국 이 죽은 별에서 핵융합반응이 촉발되면서 약한 초신성 폭발을 발생시킨 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, C. McCully and S. Jha (Rutgers University), R. Foley (University Illinois), and Z. Levay (STScI)  Acknowledgment: Hubble Heritage Team (STScI/AURA), and A. Riess (JHU/STScI)

 

사진 2> 2005년과  2006년 이전에 촬영된 초신성 폭발 이전의 이중성계 모습

 

이러한 특정 유형의 초신성 폭발은 Iax 유형의 초신성으로 분류되는데 이 유형은 최근 그 양상이 정립된 초신성 폭발 양상이다.
이러한 유형의 초신성 폭발은 연성계를 구성하고 있는 백색왜성으로부터 촉발되는 Ia 유형의 초신성보다는 훨씬 약하고 희미하게 나타난다.

 

천문학자들은 원래 약하게 나타나는 별의 폭발이 Ia 유형 초신성의 독특한 특징이라고 생각했었다.
지금까지 천문학자들은 30개 이상의 소형 폭발을 식별해낸바 있는데, 이는 Ia 유형 초신성 폭발의 1/4정도 비율로 발생하는 것이다.

 

뉴저지 피스카타웨이 럿거스 대학교 Saurabh Jha 의 설명은 다음과 같다.
"천문학자들은 Ia 유형 초신성의 원천이 되는 백색왜성을 수십년동안 탐사해왔습니다.
Ia 유형의 초신성은 광대한 우주의 거리 측정과 우주의 팽창을 측정하는데 사용되는 매우 중요한 초신성입니다.
그런데 우리는 어떤 백색왜성들이 어떻게 폭발하는가에 대한 몇몇 제약 사항을 가지고 있습니다.
Iax 유형의 초신성과 Ia 유형의 초신성 간에 존재하는 유사성은 Iax 유형 초신성으로 폭발한 원래 별을 이해하는 것을 중요하게 만들고 있습니다. 

특히 이것은 그 어떤 Ia 유형 초신성의 원래 별이 식별된 바가 없기 때문에 더욱 그렇죠. 

이번 발견은 우리가 백색왜성의 폭발이라는 사건에 다다를 수 있는 하나의 길을 열어준 것이라 할 수 있습니다."
 

연구팀의 연구결과는 내일 네이처 지에 개재될 예정이다.

 

SN 2012Z 이라고 명명된 약한 초신성 폭발은 2012년 1월 릭 천문대에서 발견되었다.
이 초신성 폭발이 있기 전에 허블 ACS는 우연하게도 초신성 폭발이 발생한 은하인 NGC 1309를 2005년과 2006년, 그리고 2010년에 관측한 바 있다.
NGC 1309는 1억 1천만 광년 거리에 위치하고 있다.

 

럿거스 대학의 대학원생이자 이번 논문의 주저자인 커티스 맥컬리(Curtis McCully)는 초신성이 발생한 위치의 천체를 보다 고해상도로 확실히 볼 수 있도록 초신성 발생 이전 사진들을 재처리해냈다.

 

맥컬리의 설명은 다음과 같다.
"저는 초신성이 발생한 위치를 보고는 너무나 놀라지 않을 수 없었습니다.
우리는 초신성 폭발이 발생한 백색왜성이 이전에 Ia 유형의 초신성이 발생한 일반적인 백색왜성들처럼 너무나 희미해서 보이지 않을 것이라 생각했습니다. 이번 발견은 자연이 우리를 놀라게 만든 정말 흥미진진한 사례라 할 수 있습니다."

 

초신성과는 전혀 상관없는 천체가 우연히 동일 위치에 정렬하고 있을 가능성은 1퍼센트가 되지 않는다.

 

 

Credit: NASA, ESA, C. McCully and S. Jha (Rutgers University), R. Foley (University Illinois), and Z. Levay (STScI)  Acknowledgment: A. Riess (JHU/STScI)

 

사진 3> 2013년 허블 ACS가 촬영한 초신성 2012Z

 

이 천체에 대한 연구 및 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 해당 천체가 Iax 유형 초신성을 발생시킨 백색왜성일 가능성을 보여주었으며 연구팀은 이 별에서 발생하는 빛이 외곽 수소 대기를 모두 잃은 후 헬륨 핵만을 가지고 있는 별에서 발생하는 빛일 가능성이 가장 높다고 결론지였다.

 

새로운 유형으로서의 Iax 유형 초신성을 식별하는데 도움을 준 연구팀의 일원인  일리노이 대학교 라이언 폴리(Ryan Foley)의 설명은 다음과 같다.
"2009년으로 거슬러 올라서 우리가 이제 막 이 유형의 초신성에 대한 이해를 시작했던 때, 우리는 이러한 유형의 초신성 폭발이 백색왜성과 헬륨만을 가지고 있는 별의 연성계에서 발생할 것이라고 예견한 바 있습니다.
이번 허블 연구에서도 여전히 약간의 불확실성이 남아 있긴 합니다만, 이는 우리 연구의 핵심적인 실증이라고 할 수 있습니다."
 

연구팀에 따르면 이 특이한 연성계의 가능성에 대한 시나리오는 상대 별에 대해 중력 영향을 행사하고 있는 별들 사이에서 연속적으로 발생하는 시소 게임과 같을 것이라고 예견하고 있다.
각 별의 원래 질량은 각각 우리 태양에 대해 7배와 4배 정도이다.

이중에서 7배의 질량을 가진 별이 보다 빨리 진화했고, 자신의 수소와 헬륨을 4배의 질량을 가진 동반성으로 쏟아내었다.
그러면서 질량은 태양 질량과 비슷해졌고, 한때 더 무거웠던 이 별은 탄소와 산소핵을 지닌 백색왜성으로 남게 되었다.

보다 질량이 작았던 동반성은 이제 많은 물질들이 쌓여 보다 빠르게 진화를 시작하게 되었고, 점점 크기가 커지며 백색왜성을 집어삼킬만한 크기로 자라났다.
이 별의 외곽부에서 분출이 발생하면서 결국 백색왜성과 태양 질량의 2배 정도에 달하는 헬륨 핵만을 지닌 동반성이 남게 되었다.
백색왜성은 헬륨 동반성으로부터 물질을 빨아들이면서 결국 소규모 초신성으로 폭발하게 되고, 이 과정에서 태양 질량의 반 정도에 해당하는 물질을 분출해냈다는 것이다.

 

백색왜성의 폭발을 야기시키는 일반적인 Ia 유형의 초신성과는 달리 Iax 유형의 초신성 폭발은 결국 오래되고 상처로 손상된 백색왜성만을 남기게 된 것으로 추측된다.
이처럼 죽은 별이 폭발 이후에도 여전히 별로 남아있기 때문에 천문학자들은 이 별에 '좀비 별'이라는 별칭을 만들었다.

 

연구팀은 이 천체의 정체에 대한 또다른 가능성으로서 하나의 무거운 별이 초신성으로서 폭발했을 것이라는 가설을 완전히 배재하지는 못하고 있다.
이러한 불확실성을 제거하고 자신들의 가설을 확증하기 위해 연구팀은 초신성 폭발의 빛이 완전히 잦아든 2015년에 허블 우주망원경을 이용하여 이 좀비별과 헬륨 동반성을 재탐사할 계획을 세워놓았다.

 

천문학자들은 이미 Iax 유형의 초신성폭발로 인한 잔광을 관측한 바 있다.

허블우주망원경이 2013년 1월 발견한 초신성 2008ha의 사진에서 초신성이 폭발하고 4년 후 초신성 폭발이 발생한 위치에서 해당 천체를 목격한 바 있는 것이다.

이 초신성은 UGC 12682 은하에 위치하고 있었으며 그 거리는 6900만 광년이었다.
이 별은 그 자체가 좀비 별일 수도 아니면 그 동반성일 수도 있었다.

이 천체의 색깔을 근거로 연구팀은 또 다른 별도의 논문에서 이 별을 태양의 3배 질량을 가진 동반성으로 제안하였다.
그 별은 SN 2012Z 보다 훨씬 어둡고 붉은 빛으로 빛나는 천체였다.
이 발견은 8월 11일 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal)에 개재될 예정이다.

 

초신성 2008ha에 관한 논문의 주저자인 폴리의 설명은 다음과 같다.
"SN 2012Z은 Iax 유형의 초신성으로서는 보다 강력한 폭발을 일으킨 초신성이지만 SN 2008ha는 이보다는 약한 폭발을 일으킨 초신성입니다.
이러한 사실은 Iax 유형의 초신성 이중성계가 여러 유형을 가지고 있음을 알려주고 있는 것입니다.
아마도 이러한 다양성은 이 별들이 어떻게 폭발하게 되는가와 관련이 있는 것으로 보입니다.
이러한 유형의 초신성 폭발은 백색왜성을 완전히 파괴시키지 않기 때문에, 우리는 이러한 유형의 폭발 중 어떤 것에서는 약간의 분출만이 발생하고 어떤 것에서는 전체적으로 상당한 양의 분출이 일어난다고 추측할 수 있습니다."

 

천문학자들은 이번 발견이 백색왜성에 대한 보다 개선된 모델을 발전시키는 자극이 되기를 희망하고 있으며 Iax 유형과 일반적인 Ia 유형의 초신성 폭발 및 그 폭발의 원천이 된 백색왜성 간의 관계에 대해 보다 완전한 이해를 얻을 수 있기를 희망하고 있다.

 

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 8월 6일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/32/

참고 : SN 2012Z를 비롯한 다양한 초신성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-32

NASA's Hubble Finds Supernova Star System Linked to Potential 'Zombie Star'

 

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope for the first time have spotted a star system that later produced an unusual supernova explosion of a white dwarf, the stripped-down core of an ordinary star at the end of its life.

Examining archived Hubble images taken before the supernova, astronomers say they have detected the blue companion star of the white dwarf. The white dwarf slowly siphoned fuel from its companion, eventually igniting a runaway nuclear reaction in the dead star, and producing a weak supernova blast.

This particular supernova is classified as a Type Iax, a recently identified class of stellar explosion. These exploding stars are less energetic and fainter than Type Ia supernovae, which also originate from exploding white dwarfs in binary systems. Astronomers originally thought these weaker stellar blasts were unique Type Ia supernovae. So far, they have identified more than 30 of these mini-explosions, which occur at one-fifth the rate of Type Ia supernovae.

"Astronomers have been searching for decades for the progenitors of Type Ia's," said Saurabh Jha of Rutgers University in Piscataway, New Jersey. "Type Ia's are important because they're used to measure vast cosmic distances and the expansion of the universe. But we have very few constraints on how any white dwarf explodes. The similarities between Type Iax's and normal Type Ia's make understanding Type Iax progenitors important, especially because no Type Ia progenitor has been conclusively identified. This discovery shows us one way that you can get a white dwarf explosion."

The team's results will appear tomorrow in the journal Nature.

The weak supernova, dubbed SN 2012Z, was found in the Lick Observatory Supernova Search in January 2012. Fortuitously, Hubble's Advanced Camera for Surveys also observed the supernova's host galaxy, NGC 1309, in 2005, 2006, and 2010, before the supernova outburst. NGC 1309 resides 110 million light-years away. Curtis McCully, a graduate student at Rutgers and lead author of the team's paper, reprocessed the pre-explosion images to make them sharper and noticed an object at the supernova's position. "I was very surprised to see anything at the supernova's location. We expected that the progenitor system would be too faint to see, like in previous searches for normal Type Ia supernova progenitors. It is exciting when nature surprises us," McCully said.

The likelihood that the object detected was just a chance alignment unrelated to the supernova is less than one percent. After studying the object's colors and computer simulations showing possible Type Iax progenitor systems, the team concluded that what they were seeing was most likely the light of a star that had lost its outer hydrogen envelope, revealing its helium core.

"Back in 2009, when we were just starting to understand this class, we predicted that these supernovae were produced by a white dwarf and helium star binary system," said team member Ryan Foley of the University of Illinois at Urbana-Champaign, who helped identify Type Iax supernovae as a new class. "There's still a little uncertainty with this Hubble study, but it is essentially validation of our claim."

According to the team, one possible scenario for the oddball star system predicts that a seesaw game ensues between the stars, with each star donating mass to the other. The stars originally weighed about seven and four times that of our Sun, respectively. The more massive seven-solar-mass star evolves quickly, dumping its hydrogen and helium onto its smaller companion. Now slimmed down to just one solar mass, the once-more- massive star is left with a carbon and oxygen core, becoming a white dwarf. The companion star, which began with just four solar masses, is now bulked up and begins to evolve quickly, growing larger and engulfing the white dwarf. The outer layers of this "combined" star are ejected, leaving behind the white dwarf and the two-solar-mass helium core of the companion star. The white dwarf is still siphoning matter from its partner until it becomes unstable and explodes as a mini-supernova, ejecting about half a solar mass of material.

Unlike a normal Type Ia supernova, which destroys its white dwarf, the explosion of a Type Iax is thought to leave behind a battered and bruised white dwarf. Since this dead star comes back to life as it explodes, astronomers have nicknamed it a "zombie star."

The team acknowledges that they can't totally rule out other possibilities for the object's identity, including the possibility that it was simply a single, massive star that exploded as a supernova. To settle those uncertainties and confirm their hypothesis, the team plans to use Hubble again in 2015 to observe the area when the supernova's light has dimmed enough to show any possible zombie star and helium companion.

The astronomers already have seen the aftermath of one Type Iax supernova blast. Hubble images taken of supernova 2008ha in January 2013, more than four years after it exploded, show an object at the supernova's location. The supernova resides in the galaxy UGC 12682, located 69 million light-years away. The object could be either the zombie remnant star or the companion. Based on the object's colors, the team suggests in a separate paper that the star is the companion, weighing more than three solar masses. It is significantly less luminous and redder than the SN 2012Z progenitor system. The findings will be published in the Aug. 11 issue of The Astrophysical Journal.

"SN 2012Z is one of the more powerful Type Iax supernovae and SN 2008ha is one of the weakest of the class, showing that Type Iax systems are very diverse," explained Foley, the SN 2008ha paper's lead author. "And perhaps that diversity is related to how each of these stars explodes. Because these supernovae don't destroy the white dwarf completely, we surmise that some of these explosions eject a little bit and some eject a whole lot."

The astronomers hope their new findings will spur the development of improved models for these white dwarf explosions and a more complete understanding of the relationship between Type Iax and normal Type Ia supernovae and their progenitors.

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