초신성의 잔광에 감추어져 있던 동반성을 21년만에 찾아내다.

 

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

 

그림1> 이 상상화는 21년전 M81 에서 발견된 초신성 1993J를 보여주고 있다.
이 초신성은 이중성계에서 발생한 것으로 초신성 폭발 전에 자신의 동반성에 의해 수소표피의 대부분을 상실했다.
20년이 지난 후 천문학자들은 마침내 이곳에서 푸른색의 헬륨 동반성을 식별해냈는데  이 그림에서는 초신성 잔해로 인해 발생한 팽창구름의 가운데에 묘사되어 있다.
이 동반성은 초신성 폭발후 사그라드는 불꽃속에 파묻혀 있었으며 허블우주망원경은 자외선 관측을 통해 이를 탐지해냈다. 

 

 

초신성의 잔광에 감추어져 있던 동반성을 21년만에 찾아내다.

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 초신성의 동반성을 찾아냈다.

 

이번 관측은 이중성계에 근원을 둔 초신성 폭발 이론을 확정해 주었다.

이 이론에 의하면 초신성 폭발은 연료를 모두 소진하여 질량을 잃은 늙은 별이 존재하는 이중성계에서 발생한다고 한다.

 

또한 이번 발견은 처음으로 천문학자들로하여금 IIb 유형으로 불리는 초신성의 독특한 분류 내에서 그 동반성의 속성을 한정할 수 있게 해 주었다.

천문학자들은 초신성 폭발로부터 살아남은 이 동반성의 밝기와 질량을 측정할 수 있었으며, 이러한 정보는 폭발이 발생하기 이전의 상태에 대한 통찰을 제공해주게 된다.

 

연구팀의 수석 연구원인 캘리포니아 대학 오리 폭스(Ori Fox)의 설명은 다음과 같다.
"이중성계는 폭발이전 상태인 별이 수소 표피를 잃게 만드는 데 중요한 필요조건일 것으로 생각됩니다.
문제는 예견상의 동반성을 직접적으로 관측하기가 매우 어렵다는 것이죠. 왜냐하면 동반성은 초신성에 비해 현저하게 어둡기 때문입니다."

 

천문학자들은 우주 어디선가에서는 매초마다 초신성 폭발이 일어나고 있을 것으로 생각하고 있다.

그러나 별이 어떻게 폭발하는지에 대해서는 여전히 완전하게 이해하지 못하고 있다.

 

이 사건의 확실한 증거로서 동반성을 발견하는 것은 우주에 존재하는 다양한 초신성 폭발에 대한 새로운 단서로서 대단히 중요한 정보를 제공해준다.

 

UC 버클리의 천문학 교수이자 연구팀의 일원인 알렉스 필리펜코(Alex Filippenko)의 익살스러운 설명은 다음과 같다.

"이건 마치 범죄 현장과 같은 거랍니다. 그리고 우리는 범인이 누군지를 식별하게 된 거죠.
동반성은 원래의 별이 초신성으로 폭발하기 전에 상당량의 수소를 훔쳤을 것입니다."

 

이 초신성 폭발은 M81 은하에서 발생했다.

M81은 큰곰자리 방향으로 지구로부터 1100만광년 거리에 위치하고 있다.

 

Photo Credit: NASA, ESA, A. Zezas (CfA), and A. Filippenko (UC Berkeley) Acknowledgment: Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Science Credit: NASA, ESA, and O. Fox (University of California, Berkeley), A. Bostroem (STScI), S. Van Dyk (Caltech), A. Filippenko (University of California, Berkeley), C. Fransson (Stockholm University), T. Matheson (NOAO), S. Cenko (University of California, Berkeley, and NASA/GSFC), P. Chandra (National Center for Radio Astrophysics/Pune University, India), V. Dwarkadas (University of Chicago), W. Li and A. Parker (University of California, Berkeley), and N. Smith (Steward Observatory)

 

사진1> 이 사진은 거대 나선은하 M81에서 초신성 1993J의 위치를 보여주고 있는 허블우주망원경의 사진이다.
천문학자들이 초신성 폭발을 처음으로 발견한 것은 21년 전이었다.

여전히 남아 있는 초신성 폭발의 잔광이 네모 박스안에 보인다.
초신성이 점으로 사그러들은 이곳에서 천문학자들은 매우 뜨거운 동반성의 자외선 복사를 집어낼 수 있을 것으로 확신했다.

이번 발견은 IIb 유형으로 분류되는 독특한 초신성 폭발에 함께 하는 동반성의 속성을 천문학자들로 하여금 처음으로 구체화할 수 있도록 해 주었다.
자외선영역에서 수행된 허블우주망원경의 관측은 이 유형의 초신성 폭발이 늙고 오래된 별로부터 떨어져나온 물질들을 연료로 사용하는 별이 존재하는 이중성계에서 발생한다는 이론을 확증해주었다.

 

이 초신성의 빛이 처음 탐지된때는 1993년이며 이 초신성은 SN 1993J로 등재되었다.
이 초신성은 독특한 폭발유형을 가진 IIb 유형으로 알려진 초신성으로서는 가장 가까운 거리에서 발견된 초신성이다.

 

지난 20여년간 천문학자들은 초신성 폭발로 인한 잔광의 섬광 속에 묻혀 있을 것으로 생각되는 동반성의 탐사를 계속해왔다.

2004년 하와이 켁 천문대에서 수행된 관측은 흡수선의 양상을 통해 이곳에 동반성이 존재할 것이라는 정황증거를 보여준 바가 있다.
그러나 이 지역은 별들이 가득 몰려 있었기 때문에 분광분석 자료상의 흡수선이 동반성으로 인한 것인지 아니면, SN 1993J와 동일 시선 상에 위치한 별 때문인지를 확신할 수 없었다.

 

폭스는 지금까지 아무도 연속복사방출(continuum emission)이라고 부르는 별의 섬광을 직접적으로 관측할 수 없었다고 말했다.

동반성은 너무나 뜨거운 별이어서 이른바 연속복사섬광(continuum glow)이라 불리는 현상이 주로 자외선 영역에서 발생하는데 이는 지구 대기 위에서만 관측이 가능한 것이었다.

 

연구팀의 일원인 우주망원경과학 연구소 아자리 보스트롬(Azalee Bostroem)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 허블우주망원경으로 통해 자외선 분광 자료를 얻을 수 있었죠.
그리고 이 자료는 자외선 영역에서 연속복사방출이 넘쳐나는 양상을 보여주었답니다.
이 복사는 다른 별빛들을 모두 제거한 이후에도 여전히 남아 있었죠."
 

무거운 별이 생애의 마지막 단계에 도달하면 모든 물질들을 태워버리고 난 후 남은 철핵이 붕괴하게 된다.
이 때 외곽에서 뿜어져 나오는 물질들이 초신성으로 보이는 것이다.

 

그런데 우주에는 서로 다른 많은 유형의 초신성이 존재한다.
이중 몇몇 초신성들은 홀로 존재하는 별에서 발생하는 것으로 생각되고 있다.
그런데 어떤 초신성들은 일반적인 별과 백색왜성 또는 두 개의 백색왜성으로 구성된 이중성계에서 발생하는 것으로 생각되고 있다.
IIb라 불리는 특이한 유형의 초신성은 이중성계의 한 별이 초신성으로 폭발하는 것이라는 특성이 있는데 우리에게는 하나의 무거운 별이 폭발하는 것처럼 보이게 된다.

 

SN 1993J 와 IIb 유형에 속하는 초신성들은 매우 특이한 초신성에 해당한다.
왜냐하면 이들의 폭발에서는 많은 양의 수소가 발견되지 않기 때문이다.
따라서 핵심적인 질문은 SN 1993J가 어떻게 자신의 수소를 모두 잃었는가에 있다.

 

IIb초신성 모델에 따르면 초신성으로 폭발한 별은 폭발이전에 동반성에 의해 외곽의 수소 표피부를 대부분 잃게 된다.
그리고 수소를 빼앗아간 동반성은 초고온의 헬륨 별로서 연료를 계속 소진하게 되는 것이다.

 

 

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

 

그림 2> 이 삽화는 IIb 유형의 초신성 진화단계를 묘사하고 있다.

1. 이중성계에서 뜨거운 두 개의 별이 서로 공전하고 있다.
2. 이 중에서 질량이 더 큰 별이 적색거성으로 부풀어오르면서 외곽 표피부에 존재하는 수소가 동반성으로 전달된다.
3. 질량이 더 큰 별이 초신성으로 폭발한다.
4. 동반성이 폭발과정에서 살아남는다. 
이 별은 이 이중성계내의 대부분의 수소를 차지하여 수소에 완전히 잠겨 있으며, 원래 상태보다 훨씬더 크고 훨신 더 뜨거운 별이 된다.
초신성 폭발을 일으킨 별은 점점 사그러든다.

 

필리펜코의 설명은 다음과 같다.
"제가 처음 SN 1993J를 IIb 초신성으로 분류했을 때, 저는 우리가 언젠가는 추측상의 동반성을 찾아낼 수 있기를 희망했죠.
허블의 관측데이터는 우리가 마침내 이 일을 해냈음을 말해주었고, IIb 초신성에 대한 선구적인 모델을 확정해 주었죠."

 

연구팀은 지상에 위치하는 망원경으로부터 획득한 가시광선 데이터와 두 개의 허블 관측 장비가 수집한 자외선 데이터를 합성하였다.
이를 통해 예견상으로 존재하는 동반성의 별빛과 일치하는 다중 파장의 분광분석자료를 구축하였다.

 

폭스와 필리펜코, 그리고 보스트롬은 추가 연구를 통해 이 별의 정의를 좀더 확실하게 할 수 있을 것이고, 결국 이러한 유형의 별이 존재한다는 것을 확증해줄 것이라고 입을 모았다.

 

이번 연구결과는 7월 20일 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 9월 9일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/38/full/

 

참고 : SN 1993J를 비롯한 다양한 초신성에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989 
 

 

원문>

News Release Number: STScI-2014-38

Hubble Finds Companion Star Hidden for 21 Years in a Supernova's Glare

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have discovered a companion star to a rare type of supernova. This observation confirms the theory that the explosion originated in a double-star system where one star fueled the mass-loss from the aging primary star.

This detection is the first time astronomers have been able to put constraints on the properties of the companion star in an unusual class of supernova called Type IIb. They were able to estimate the surviving star's luminosity and mass, which provide insight into the conditions that preceded the explosion.

"A binary system is likely required to lose the majority of the primary star's hydrogen envelope prior to the explosion. The problem is that, to date, direct observations of the predicted binary companion star have been difficult to obtain since it is so faint relative to the supernova itself," said lead researcher Ori Fox of the University of California (UC) at Berkeley.

Astronomers estimate that a supernova goes off once every second somewhere in the universe. Yet they don't fully understand how stars explode. Finding a "smoking gun" companion star provides important new clues to the variety of supernovae in the universe. "This is like a crime scene, and we finally identified the robber," quipped team member Alex Filippenko, professor of astronomy at UC Berkeley. "The companion star stole a bunch of hydrogen before the primary star exploded."

The explosion happened in the galaxy M81, which is about 11 million light-years away from Earth in the direction of the constellation Ursa Major (the Great Bear). Light from the supernova was first detected in 1993, and the object was designated SN 1993J. It was the nearest known example of this type of supernova, called a Type IIb, due to the specific characteristics of the explosion. For the past two decades astronomers have been searching for the suspected companion, thought to be lost in the glare of the residual glow from the explosion.

Observations made in 2004 at the W.M. Keck Observatory on Mauna Kea, Hawaii, showed circumstantial evidence for spectral absorption features that would come from a suspected companion. But the field of view is so crowded that astronomers could not be certain if the spectral absorption lines were from a companion object or from other stars along the line of sight to SN 1993J. "Until now, nobody was ever able to directly detect the glow of the star, called continuum emission," Fox said.

The companion star is so hot that the so-called continuum glow is largely in ultraviolet (UV) light, which can only be detected above Earth's absorbing atmosphere. "We were able to get that UV spectrum with Hubble. This conclusively shows that we have an excess of continuum emission in the UV, even after the light from other stars has been subtracted," said team member Azalee Bostroem of the Space Telescope Science Institute (STScI), in Baltimore, Maryland.

When a massive star reaches the end of its lifetime, it burns though all of its material and its iron core collapses. The rebounding outer material is seen as a supernova. But there are many different types of supernovae in the universe. Some supernovae are thought to have exploded from a single-star system. Other supernovae are thought to arise in a binary system consisting of a normal star with a white dwarf companion, or even two white dwarfs. The peculiar class of supernova called Type IIb combines the features of a supernova explosion in a binary system with what is seen when single massive stars explode.

SN 1993J, and all Type IIb supernovae, are unusual because they do not have a large amount of hydrogen present in the explosion. The key question has been: how did SN 1993J lose its hydrogen? In the model for a Type IIb supernova, the primary star loses most of its outer hydrogen envelope to the companion star prior to exploding, and the companion continues to burn as a super-hot helium star.

"When I first identified SN 1993J as a Type IIb supernova, I hoped that we would someday be able to detect its suspected companion star," said Filippenko. "The new Hubble data suggest that we have finally done so, confirming the leading model for Type IIb supernovae."

The team combined ground-based data for the optical light and images from two Hubble instruments to collect ultraviolet light. They then constructed a multi-wavelength spectrum that matched what was predicted for the glow of a companion star.

Fox, Filippenko, and Bostroem say that further research will include refining the constraints on this star and definitively showing that the star is present.

The results were published in the July 20 Astrophysical Journal.

For images and more information about Hubble, visit:

http://hubblesite.org/news/2014/38

http://www.nasa.gov/hubble

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and the European Space Agency. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., manages the telescope. STScI conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., in Washington, D.C.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

Ori Fox
University of California, Berkeley, California
ofox@astro.berkeley.edu

Alex Filippenko
University of California, Berkeley, California
afilippenko@berkeley.edu