라디오파 관측을 통해 신성 감마선의 미스테리를 풀어내다.

 

CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

 

그림 > 신성은 팽창하는 공처럼 폭발하지 않으며, 가스를 서로 다른 방향으로, 서로 다른 시간에, 서로 다른 속도로 분출해낸다.

이렇게 분출된 가스들은 필연적으로 서로 충돌하게 되고, 이내 충격파와 함께 고에너지 감마선 광자들이 만들어진다.

이 그림은 V959 Mon 신성에서 발생한 복잡한 폭발양상과 가스의 충돌 양상을 묘사한 것이다.

신성 폭발이 발생했을 때 우선 고밀도이지만 상대적으로 느리게 움직이는 물질들이 이중성계의 공전 평단면을 따라 분출되었다.(왼쪽 그림의 노란색으로 표현된 물질)

그리고 수주 후 빠른 속도의 폭풍이 쏟아져나왔지만 이들은 이중성계의 양극 방향으로 깔대기 모양으로 쏟아져나왔다.(가운데 그림의 파란색으로 표현된 물질)

그리고 평단면으로 쏟아져나간 물질들과 양극 방향으로 쏟아져나간 물질들이 교차점에서 충돌하면서 충격파와 감마선 복사를 만들어냈다.(가운데 그림의 붉은색으로 표현된 물질)
그리고 마침내 신성의 폭풍이 중단되고 물질들은 우주공간으로 퍼져나가며 불꽃은 잦아들었다.(오른쪽 그림)

 

라디오파 관측을 통해 신성 감마선의 미스테리를 풀어내다.

 

고해상도의 라디오파 천체망원경이 감마선 방출 신성이라 불리는 가장 강력한 전자기파의 생성원천인 별 폭발의 위치를 포착해냈다.

이번 발견은 2012년 최초로 관측되어 천문학자들을 혼란에 빠뜨렸던 감마선 복사의 매커니즘에 대한 가장 그럴듯한 비밀을 밝혀주었다.

 

미시간 주립대학의 라우라 초미우크(Laura Chomiuk)는 자신들의 발견이 단순히 감마선이 발생하는 위치뿐 아니라 이전에는 결코 볼 수 없었던, 그러나 다른 신성 폭발에서도 일반적으로 발생할 것이라고 생각되는 시나리오를 포착한 것이라고 소감을 밝혔다.

 

신성은 고밀도의 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 끌어들여 축적하고 이로부터 촉발된 열핵반응에 의해 폭발되어 우주공간으로 파편들을 쏟아내면서 발생한다.

 

그러나 천문학자들은 이 시나리오로는 고에너지 감마선이 만들어지지 않는다고 말한다.

 

 

그런데 2012년 6월, NASA의 페르미 위성은 V959 Mon이라 불리는 6500광년 거리의 신성으로부터 발생한 감마선을 관측하였다.
당시 칼 G. 얀스키 초대형 배열(the Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)의 관측에 따르면 신성으로부터 전달된 라디오 파동은 아원자 입자들이 자기장과 상호작용하면서 거의 광속에 육박하는 현상을 만들어냈다는 점을 시사하였다.
천문학자들이 주목한 이 고에너지 감마선 복사에는 이와 같이 엄청난 속도로 움직이는 입자들의 존재가 필요했던 현상이었다.

 

이후 초장기선 배열(the Very Long Baseline Array, 이하 VLBA)의 최첨단 라디오파 관측과 유럽 VLBI 네트워크에 의해 수행된 관측에 따르면 라디오파를 방출하는 명백한 두 개의 점이 발견되었으며 이 점들은 서로 빠른 속도로 멀어지고 있는 장면이 목격되었다.

 

영국 e-MERLIN에서 수행된 연구와 함께 2014년 VLA의 또다른 관측으로 이루어진 이 관측들은 과학자들로 하여금 모든 관측 자료를 조합하여 라디오파로 드러난 점들과 감마선이 어떻게 생성되었는지에 대한 정보를 제공해주었다.

 

시나리오에 따르면 우선 첫번째 단계로 백색왜성과 동반성은 상호 공전 에너지를 포기하면서 물질들을 분출시키는 원동력이 만들어졌으며 이로부터 공전평면상에서 보다 빠른 속도로 물질들을 바깥쪽으로 분출하게 만들었다.

그리고 나서 백색왜성으로부터 휘몰아쳐나온 폭풍이 공전궤도면 상에서 양극 방향을 따라 분출되었다.

 

양극 방향으로 빠른 속도로 휘몰아쳐나온 폭풍이 보다 천천히 움직이는 물질들과 충돌하면서, 이 충돌로부터 가속된 입자들이 감마선을 만들어내는데 필요한 만큼의 속도로 가속되었으며 라디오파를 방출하는 점들을 만들어내다.

 

초미우크의 설명은 다음과 같다.
"이 이중성계를 내내 관측하면서 그리고 라디오파 복사가 어떻게 변화하는지를 관측함으로써, 그리고 나중에는 점들의 이동양상을 추적함으로써, 우리는 이 시나리오상에서 예견된 행동양상을 정확하게 볼 수 있었답니다."

 

2012년 V959 Mo의 폭발이 관측된 이래 페르미는 3개의 신성 폭발로부터 야기된 감마선을 추가로 더 탐지하였다.
초미우크는 이러한 현상이 감마선 폭발이 발생하는 다중성계에서는 일반적인 현상일지도 모르며, V959 Mon의 경우 상대적으로 가까운 거리로 인해서 처음으로 이러한 현상이 관측된 것일 거라고 설명했다.

 

V959 Mon에서 관측된 분출양상이 또다른 이중성계에서도 관측되었기 때문에, 이러한 새로운 통찰은 천문학자들로하여금 이러한 다중성계가 어떻게 변화되어가는지를 이해할 수 있도록 도와줄 것으로 보인다.

 

이러한 "먼지에 휩싸이는 일반적인 양상"의 패턴은 거의 모든 근접 이중성계에서 발생하지만 이에 대한 이해는 거의 전무한 상태이다.
초미우크는 이중성계의 진화과정에서 나타나는 이 핵심적인 단계에 대한 이해를 개선시키는데 있어 신성들을 대상으로 관측하는 것은 테스트를 위한 시료로서 사용될 수 있을 것이라고 말했다.

 

초미우크는 천문학자들로 구성된 국제 연구팀의 일원으로 함께 연구를 진행하였으며 이번 발견은 네이처지에 개재되었다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 10월 8일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/nova-gamma-ray-mystery-unraveled

 

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

 

원문>

Embargoed For Release: 1:00 p.m., EDT, Wednesday, 8 October 2014

Radio Telescopes Unravel Mystery of Nova Gamma Rays

Highly-detailed radio-telescope images have pinpointed the locations where a stellar explosion called a nova emitted gamma rays, the most energetic form of electromagnetic waves. The discovery revealed a probable mechanism for the gamma-ray emissions, which mystified astronomers when first observed in 2012.

"We not only found where the gamma rays came from, but also got a look at a previously-unseen scenario that may be common in other nova explosions," said Laura Chomiuk, of Michigan State University.

A nova occurs when a dense white dwarf star pulls material onto itself from a companion star, triggering a thermonuclear explosion that blows debris into interstellar space. Astronomers did not expect this scenario to produce high-energy gamma rays. However, in June of 2012, NASA's Fermi spacecraft detected gamma rays coming from a nova called V959 Mon, some 6500 light-years from Earth.

At the same time, observations with the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) indicated that radio waves coming from the nova probably were caused by subatomic particles moving at nearly the speed of light interacting with magnetic fields. The high-energy gamma-ray emission, the astronomers noted, also required such fast-moving particles.

Later observations with the extremely-sharp radio "vision" of the Very Long Baseline Array (VLBA) and the European VLBI network revealed two distinct knots of radio emission. These knots then were seen to move away from each other. This observation, along with studies made with e-MERLIN in the UK, and another round of VLA observations in 2014, provided the scientists with information that allowed them to put together a picture of how the radio knots, and the gamma rays, were produced.

In the first stage of this scenario, the white dwarf and its companion give up some of their orbital energy to boost some of the explosion material, making the ejected material move outward faster in the plane of their orbit. Later, the white dwarf blows off a faster wind of particles moving mostly outward along the poles of the orbital plane. When the faster-moving polar flow hits the slower-moving material, the shock accelerates particles to the speeds needed to produce the gamma rays, and the knots of radio emission.

"By watching this system over time and seeing how the pattern of radio emission changed, then tracing the movements of the knots, we saw the exact behavior expected from this scenario," Chomiuk said.

Since the 2012 outburst of V959 Mon, Fermi has detected gamma rays from three additional nova explosions.

"This mechanism may be common to such systems. The reason the gamma rays were first seen in V959 Mon is because it's close," Chomiuk said.

Because the type of ejection seen in V959 Mon also is seen in other binary-star systems, the new insights may help astronomers understand how those systems develop. This "common envelope" phase occurs in all close binary stars, and is poorly understood.

"We may be able to use novae as a 'testbed' for improving our understanding of this critical stage of binary evolution," Chomiuk said.

Chomiuk worked with an international team of astronomers. The researchers reported their findings in the scientific journal Nature.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

Contact:  Dave Finley, Public Information Officer
          (575) 835-7302
      dfinley@nrao.edu




IMAGE CAPTION: A nova does not explode like an expanding ball, but instead throws out gas in different directions at different times and different speeds. When this gas inevitably crashes together, it produces shocks and high-energy gamma-ray photons. The complex explosion and gas collisions in nova V959 Mon is illustrated here. In the first days of the nova explosion, dense, relatively slow-moving material is expelled along the binary star system's equator (yellow material in left panel). Over the next several weeks, fast winds pick up and are blown off the binary, but they are funneled along the binary star system's poles (blue material in central panel). The equatorial and polar material crashes together at their intersection, producing shocks and gamma-ray emission (red regions in central panel). Finally, at later times, the nova stops blowing a wind, and the material drifts off into space, the fireworks finished (right panel).

CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF