SN 2012ap : 감마선 폭발과의 잃어버린 고리를 밝혀줄 수상한 초신성

         

CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

 

그림 1> 왼쪽 그림은 "중심 엔진"을 갖추지 못한 일반적인 중심붕괴 초신성으로부터 분출된 물질들이 거의 구형으로 팽창하는 모습을 묘사하고 있다.

우측 그림은 강력한 중심엔진에 의해 분출된 제트가 거의 광속에 달하는 속도로 분출하면서 만들어내는 감마선 폭발을 묘사하고 있다.

가운데 그림은 중간 버전에 해당하는 SN 2012ap와 같은 초신성의 폭발을 묘사한 것으로 중심엔진이 비교적 약하여 약한 제트가 분출되고 따라서 감마선 폭발도 나타나지 않는다.

 

 

감마선 폭발과의 잃어버린 고리를 밝혀줄 수상한 초신성

 

천문학자들이 국립과학재단의 초대형배열(이하 VLA)을 이용하여 오랫동안 찾아왔던 감마선 폭발을 발생시키는 초신성 폭발과 그렇지 않은 초신성 폭발 간의 '잃어버린 고리'를 발견했다. 
 
과학자들이 2012년 발견한 초신성 폭발은 여러 측면에서 강력한 감마선 폭발을 발생시킬 것으로 기대되는 특징을 가지고 있었음에도 감마선 폭발은 일체 발견되지 않았다.

하바드 스미스소니언 천체물리센터의 사얀 차크라보티(Sayan Chakraborti)의 설명은 다음과 같다.
"이번 연구 결과는 이러한 폭발의 근간을 이루는 메커니즘에 대해 핵심이 되는 통찰을 제공해주는 놀라운 결과입니다.
이 초신성은 동일 유형의 초신성으로서 감마선 폭발을 발생시키는 경우와 그렇지 않은 경우 간의 간극에 자리잡고 있는 초신성으로서 이러한 폭발에서 발생가능한 활동양상의 폭이 매우 넓다는 것을 보여주고 있는 것이랍니다. "
 
2012ap(SN 2012ap) 라고 불리는 이 초신성을 천문학자들의 용어로는 핵붕괴 초신성이라 부른다.

 

이 유형의 폭발은 매우 별의 외곽부 무게에 비해 중심핵을 유지시키는데 필요한 에너지를 더 이상 공급할 수 없는 매우 무거운 질량을 가진 별의 중심핵에서 핵융합반응이 일어날 때 발생한다.

이때 핵은 파국적으로 붕괴되면서 초고밀도의 중성자별이나 블랙홀이 된다.

그리고 별의 나머지를 구성하는 물질은 초신성 폭발로 우주공간으로 쏟아져나가게 된다.

 

이와 같은 초신성 폭발에서 대부분 나타나는 모습은 별의 물질들이 거의 구형에 가까운 거품 형태로 빠르게 팽창해 나간다는 것인데, 그 속도는 빛의 속도보다는 훨씬 느린 속도이다.

이러한 폭발은 감마선 폭발을 수반하지는 않는다.

 

그런데 여러 경우들 중 일부에서 추락한 물질들은 새로 생성된 중성자 별이나 블랙홀 주위를 휘감아 도는 짧은 기간의 원반을 만든다.

이렇게 생성된 강착원반은 원반의 양 극지점에서 거의 빛의 속도에 달하는 속도로 분출되는 물질의 제트를 만들어낸다.

 

휘감겨도는 원반과 제트의 조합을 일컬어 "엔진"이라 하며 이러한 유형의 폭발은 감마선 폭발을 수반하게 된다.

 

그러나 이번 새로운 연구는 모든 "엔진 추동형" 초신성 폭발이 감마선 폭발을 만들어내는 것은 아니라는 점을 보여주었다.

 

하바드 스미스소니언 천체물리센터의 알리시아 소더버그(Alicia Soderberg)의 설명은 다음과 같다.
"이 초신성은 거의 광속에 육박하는 속도로 움직이는 제트를 가지고 있는데, 이 제트는 빠르게 속도가 줄어들고 있습니다. 
이것은 감마선 폭발에서 우리가 보게 되는 제트와 같은 것입니다."

그  이전인 2009년에 발견된 초신성 역시 엄청나게 빠른 제트를 가지고 있었지만 그 제트는 감마선 폭발을 생성하는 일체의 속도감소를 나타내는 어떠한 특징도 없이 자유롭게 팽창되고 있었다.

과학자들은 2009년 초신성에서의 제트 팽창은 아무런 엔진이 없는 초신성 폭발이 목격된 것일 것이며 이 제트에 감마선 폭발 제트에서 보이는 가벼운 입자들과는 반대로 상당한 양의 무거운 입자들이 포함되어 있음을 말해주는 것인듯 하다고 말했다.

무거운 입자들은 별 주변의 물질들을 훨씬 쉽게 뚫고 나갈 수 있다.

 

차크라보티의 설명은 다음과 같다.
"우리가 보는 것은 이러한 유형의 초신성 폭발이 다양한 유형의 엔진을 갖는다는 것입니다.
강력한 엔진과 가벼운 입자들을 가진 폭발은 감마선 폭발을 만들어내죠. 하지만 이보다 약한 엔진과 무거운 입자들을 가진 폭발은 그렇지 못합니다."

 

소더버그는 엔진의 본성이 이러한 유형의 초신성 폭발의 성격을 결정짓는데 중심 역할을 하고 있음을 보여주는 것이라고 말했다.

 

차크라보티와 소더버그는 전세계 각지의 과학자들로 구성된 국제협력팀과 함께 일하고 있다.

연구팀은 VLA와 함께 인도의 거대 미터파 라디오파 망원경(the Giant Meterwave Radio Telescope, GMRT) 및 감마선 폭발 감지기를 장착한 우주선의 행성간 네트워크(the InterPlanetary Network, IPN)를 활용하였다.

차크라보티가 이끄는 연구팀의 보고서는 아스트로피지컬 저널에 개재될 예정이다.

공동저자인 라파엘라 마구티(Raffaella Margutti)와 덴 밀리사블리예빅(Dan Milisavljevic)이 이끄는 또다른 보고서는 SN 2012ap에 대해 X선및 가시광선으로 이루어진 후속 연구를 싣고 있다.

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 4월 27일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/supernova-missing-link

 

참고 : 초신성 및 초신성 폭발 잔해에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

원문>

For Immediate Release: 27 April 2015

Strange Supernova is 'Missing Link' in Gamma-Ray Burst Connection

Astronomers using the National Science Foundation's Very Large Array (VLA) have found a long-sought "missing link" between supernova explosions that generate gamma-ray bursts (GRBs) and those that don't. The scientists found that a stellar explosion seen in 2012 has many characteristics expected of one that generates a powerful burst of gamma rays, yet no such burst occurred.

"This is a striking result that provides a key insight about the mechanism underlying these explosions," said Sayan Chakraborti, of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). "This object fills in a gap between GRBs and other supernovae of this type, showing us that a wide range of activity is possible in such blasts," he added.

The object, called Supernova 2012ap (SN 2012ap) is what astronomers term a core-collapse supernova. This type of blast occurs when the nuclear fusion reactions at the core of a very massive star no longer can provide the energy needed to hold up the core against the weight of the outer parts of the star. The core then collapses catastrophically into a superdense neutron star or a black hole. The rest of the star's material is blasted into space in a supernova explosion.

The most common type of such a supernova blasts the star's material outward in a nearly-spherical bubble that expands rapidly, but at speeds far less than that of light. These explosions produce no burst of gamma rays.

In a small percentage of cases, the infalling material is drawn into a short-lived swirling disk surrounding the new neutron star or black hole. This accretion disk generates jets of material that move outward from the disk's poles at speeds approaching that of light. This combination of a swirling disk and its jets is called an "engine," and this type of explosion produces gamma-ray bursts.

The new research shows, however, that not all "engine-driven" supernova explosions produce gamma-ray bursts.

"This supernova had jets moving at nearly the speed of light, and those jets were quickly slowed down, just like the jets we see in gamma-ray bursts," said Alicia Soderberg, also of CfA.

An earlier supernova seen in 2009 also had fast jets, but its jets expanded freely, without experiencing the slowdown characteristic of those that generate gamma-ray bursts. The free expansion of the 2009 object, the scientists said, is more like what is seen in supernova explosions with no engine, and probably indicates that its jet contained a large percentage of heavy particles, as opposed to the lighter particles in gamma-ray-burst jets. The heavy particles more easily make their way through the material surrounding the star.

"What we see is that there is a wide diversity in the engines in this type of supernova explosion," Chakraborti said. "Those with strong engines and lighter particles produce gamma-ray bursts, and those with weaker engines and heavier particles don't," he added.

"This object shows that the nature of the engine plays a central role in determining the characteristics of this type of supernova explosion," Soderberg said.

Chakraborti and Soderberg worked with an international team of scientists from five continents. In addition to the VLA, they also used data from the Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT) in India and the InterPlanetary Network (IPN) of spacecraft equipped with GRB detectors. The team, led by Chakraborti, is reporting their work in a paper accepted to the Astrophysical Journal. Other articles, led by co-authors Raffaella Margutti and Dan Milisavljevic, also report on the X-ray and optical follow-up on SN 2012ap using a suite of space and ground-based facilities.

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

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