고전 신성(classical nova) 페르세우스자리 GK 별 (GK Persei)

 

Credit X-ray: NASA/CXC/RIKEN/D.Takei et al; Optical: NASA/STScI; Radio: NRAO/VLA

 

• 페르세우스자리 GK 는 백색왜성의 표면에서 핵융합반응 폭발에 의해 생성된 "고전 신성(classical nova)"이다 
• 고전 신성은 초신성 폭발의 축소 버전으로 간주된다.
• 천문학자들이 찬드라 X선망원경을 이용하여 거의 14년에 달하는 간격을 두고 페르세우스자리 GK 별의 변화를 관측했다. 
• 페르세우스자리 GK 별에 대한 새로운 사진에는 X선(파란색), 가시광선(노란색), 라디오파(분홍색)의 데이터들이 포함되어 있다.

헐리우드의 블록버스터 영화들을 보면 스타 배우들 사이에서 폭발이 발생하곤 한다.
우주에서 발생하는 실제 별들의 폭발은 별들의 탄생 및 삶과 죽음, 그리고 폭발하는 별이 주위에 어떤 상호작용을 끼치는지를 이해하려는 과학자들의 주목을 끈다.

천문학자들은 찬드라 X선 망원경을 이용하여 특별한 폭발을 일으키는 별 하나를 연구해왔는데 이 별은 훨씬 더 큰 규모로 발생하는 별 폭발의 기재에 대한 단서를 제공해 줄지도 모른다.
 
연구팀이 주목한 별은 페르세우스자리 GK별이다.
이 별은 1901년 하늘에서 갑작스럽게 가장 밝은 별 중 하나로 등장하면서, 그리고 며칠 후 서서히 사그러들면서 천문학계의 이목을 끌었던 별이다. 

 

오늘날 천문학자들은 페르세우스 GK별을, 우리 태양과 같은 별의 고밀도 잔해인 백색왜성의 표면에서 열핵반응에 의한 폭발로 만들어진 "고전 신성"의 예로 언급하고 있다.

신성은 강력한 중력을 가진 백색왜성이 공전궤도상의 짝별로부터 물질을 끌어오면서 발생하게 된다.

대개 수소가스로 구성되어 있는 물질들이 백색왜성의 표면에 축적되며 이로부터 핵융합반응이 발생하여 그 강도를 높여나가게되고 핵융합반응이 정점에 다다랐을 때, 우주적 규모의 수소폭탄이 폭발하게 되는 것이다.

 

이때 백색왜성의 외곽층이 쓸려나가면서 신성 폭발을 만들어내게 되는데 이 현상은 수개월에서 수년동안 우주공간으로 팽창해나가는 물질들의 모습으로 관측할 수 있게 된다. 

고전 신성이란 초신성 폭발의 축소된 버전으로 간주될 수 있다.

별전체가 파괴되는 것을 말해주는 초신성 폭발신호는 너무나 밝아서 초신성이 몸담고 있는 은하 전체의 빛보다 훨씬 밝게 빛나게 된다.

 

 

초신성은 우주 생태계에 있어 가장 중요한 현상이다.
초신성 폭발로부터 엄청난 에너지가 성간 가스로 분출되며 또한 초신성은 철이나 칼슘, 산소와 같은 원자를 우주공간으로 벼려내는 역할도 수행한다.
이렇게 생성된 물질들은 합쳐져서 새로운 세대의 별과 행성들을 만들게 된다.

비록 초신성 폭발 잔해는 고전 신성 보다 훨씬 더 무겁고 왕성한 에너지를 가지지만 기본적인 물리학의 몇몇 측면에서는 동일한 성격을 가지고 있다.

두 현상 모두 폭발로부터 주변 가스를 초음속으로 통과하는 충격파를 만들어낸다.

 

고전 신성이 보다 적은 에너지 및 질량과 연관되어 있다는 것은 폭발 잔해로 보다 빨리 변화한다는 것을 의미하기도 한다.

게다가 초신성에 비해 더 자주 발생하기 때문에 고전 신성은 우주의 폭발 현상을 연구하는데 중요한 관측대상이 되기도 한다.

찬드라 우주망원경이 처음 페르세우스자리 GK 별을 관측했던 것은 2000년 2월이었으며 2013년 11월 이 별을 다시 관측했다.

13년의 간격은 천문학자들에게 X선 복사와 그 속성에 있어 중요한 차이를 인식하기에 충분한 시간이다.

페르세우스자리 GK별을 담고 있는 이 사진은 찬드라 망원경이 촬영한 X선 데이터(파란색)와 허블우주망원경이 촬영한 가시광선 데이터(노란색) 그리고 국립과학재단의 초대형배열이 취득한 라디오파 데이터(분홍색)를 포함하고 있다.

X선 데이터는 뜨거운 가스를 보여주고 있으며 라디오파 데이터는 신성의 충격파에 의해 고에너지로 가속된 전자들로부터의 복사를 보여주고 있다.

가시광선 데이터는 폭발로부터 뿜어져나온 물질 덩쿨들을 보여주고 있다.

 

사진 하단 좌측에 점처럼 보이는 것이 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았다.

수년에 걸친 찬드라의 관측 데이터는 신성의 파편이 시속 112만 킬로미터의 속도로 팽창했음을 알려주고 있다.

이를 환산해보면 관측 기간동안 폭풍파가 약 1440억 킬로미터를 움직였다는 것을 알 수 있다.

 

 

한가지 흥미로운 발견은 신성의 잔해에 대한 연구가 어떻게 폭발 주변 환경에 대한 중요한 단서를 제공해 줄 수 있는가를 설명하고 있다는 것이다.

페르세우스자리 GK별 잔해의 X선 광도는 13년동안 약 40% 감소한데 반해 잔해에 존재하는 가스의 온도는 약 100만도의 온도를 그대로 유지하고 있다.

 

충격파가 팽창하게되면 가열된 물질들의 총량이 증가하기 때문에 에너지파동 뒤에 숨어있는 온도는 반드시 감소되어야 한다.

 

그럼에도 점점 희미해지는 밝기와 지속적으로 유지되고 있는 온도가 암시하는 것은 에너지파가 지난 13년 동안 별 주위에서 쓸어버린 가스의 양이 무시할만한 수준이라는 것을 의미한다.

이러한 사실은 에너지파가 현재 팽창하고 있는 지역은 이전에 비해서 훨신 낮은 밀도를 가지고 있어야 한다는 것을 의미하며 이는 페르세우스자리 GK별이 위치한 주변 환경이 어떠한지를 짐작케 해준다.

 

 

이러한 내용을 기술하고 있는 연구논문이 지난 3월 10일 아스트로피지컬 저널에 발표되었다.

눈문의 저자는 다이 타케이(Dai Takei, RIKEN, SPring-8 Center Japan), 제레미 드레이크(Jeremy Drake, 스미스소니언 천체물리 관측소), 히로야 야마구치(Hiroya Yamaguichi, 고다드우주비행센터), 페트릭 슬레인(Patrick Slane, 스미스소니언 천체물리 관측소), 야스노부 우치마야(Satoru Katsuda, 일본 우주항공탐사국)이다.

 

 

 

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2015년 3월 16일
         http://chandra.harvard.edu/photo/2015/gkper/

 

참고 : 초신성에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

원문>

GK Persei: "Mini Supernova" Explosion Could Have Big Impact

• GK Persei is a "classical nova," an outburst produced by a thermonuclear explosion on the surface of a white dwarf star.

 

• Classical novas are considered to be miniature versions of supernova explosions.

 

• Astronomers used Chandra to observe differences in GK Persei over a span of nearly 14 years.

 

• A new image of GK Persei contains X-rays (blue), optical data (yellow), and radio data (pink).

In Hollywood blockbusters, explosions are often among the stars of the show. In space, explosions of actual stars are a focus for scientists who hope to better understand their births, lives, and deaths and how they interact with their surroundings.

Using NASA's Chandra X-ray Observatory, astronomers have studied one particular explosion that may provide clues to the dynamics of other, much larger stellar eruptions.

A team of researchers pointed the telescope at GK Persei, an object that became a sensation in the astronomical world in 1901 when it suddenly appeared as one of the brightest stars in the sky for a few days, before gradually fading away in brightness. Today, astronomers cite GK Persei as an example of a "classical nova," an outburst produced by a thermonuclear explosion on the surface of a white dwarf star, the dense remnant of a Sun-like star.

A nova can occur if the strong gravity of a white dwarf pulls material from its orbiting companion star. If enough material, mostly in the form of hydrogen gas, accumulates on the surface of the white dwarf, nuclear fusion reactions can occur and intensify, culminating into a cosmic-sized hydrogen bomb blast. The outer layers of the white dwarf are blown away, producing a nova outburst that can be observed for a period of months to years as the material expands into space.

Classical novas can be considered to be "miniature" versions of supernova explosions. Supernovas signal the destruction of an entire star and can be so bright that they outshine the whole galaxy where they are found. Supernovas are extremely important for cosmic ecology because they inject huge amounts of energy into the interstellar gas, and are responsible for dispersing elements such as iron, calcium and oxygen into space where they may be incorporated into future generations of stars and planets.

Although the remnants of supernovas are much more massive and energetic than classical novas, some of the fundamental physics is the same. Both involve an explosion and creation of a shock wave that travels at supersonic speeds through the surrounding gas.

The more modest energies and masses associated with classical novas means that the remnants evolve more quickly. This, plus the much higher frequency of their occurrence compared to supenovas, makes classical novas important targets for studying cosmic explosions.

Chandra first observed GK Persei in February 2000 and then again in November 2013. This 13-year baseline provides astronomers with enough time to notice important differences in the X-ray emission and its properties.

This new image of GK Persei contains X-rays from Chandra (blue), optical data from NASA's Hubble Space Telescope (yellow), and radio data from the National Science Foundation's Very Large Array (pink). The X-ray data show hot gas and the radio data show emission from electrons that have been accelerated to high energies by the nova shock wave. The optical data reveal clumps of material that were ejected in the explosion. The nature of the point-like source on the lower left is unknown.

Over the years that the Chandra data span, the nova debris expanded at a speed of about 700,000 miles per hour. This translates to the blast wave moving about 90 billion miles during that period.

One intriguing discovery illustrates how the study of nova remnants can provide important clues about the environment of the explosion. The X-ray luminosity of the GK Persei remnant decreased by about 40% over the 13 years between the Chandra observations, whereas the temperature of the gas in the remnant has essentially remained constant, at about one million degrees Celsius. As the shock wave expanded and heated an increasing amount of matter, the temperature behind the wave of energy should have decreased. The observed fading and constant temperature suggests that the wave of energy has swept up a negligible amount of gas in the environment around the star over the past 13 years. This suggests that the wave must currently be expanding into a region of much lower density than before, giving clues to stellar neighborhood in which GK Persei resides.

A paper describing these results appeared in the March 10th issue of The Astrophysical Journal. The authors were Dai Takei (RIKEN, SPring-8 Center Japan), Jeremy Drake (Smithsonian Astrophysical Observatory), Hiroya Yamaguichi (Goddard Space Flight Center), Patrick Slane (Smithsonian Astrophysical Observatory), Yasunobu Uchimaya (Rikkyo University, Japan), Satoru Katsuda (Japan Aerospace Exploration Agency).

NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for NASA's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.

 

 

Fast Facts for GK Persei:
Credit	X-ray: NASA/CXC/RIKEN/D.Takei et al; Optical: NASA/STScI; Radio: NRAO/VLA
Release Date	March 16, 2015
Scale	Image is about 3.5 arcmin across (about 1.5 light years)
Category	White Dwarfs & Planetary Nebulas
Coordinates (J2000)	RA 03h 31m 11.80s | Dec +43° 54' 16.80"
Constellation	Perseus
Observation Date	10 Feb 2000 and 22 Nov 2013
Observation Time	53 hours 32 min (2 days 5 hours 32 min).
Obs. ID	650, 15741
Instrument	ACIS
References	Takei, D. et al, 2015, ApJ, 801, 92; arXiv:1503.03181
Color Code	X-ray (Blue); Optical (Yellow); Radio (Pink)

Distance Estimate

About 1,530 light years