PSR J1930-1852 : 가장 넓은 상호공전궤도를 가진 이중중성자별의 펄서

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

그림 1> 이 상상화는 한 쌍의 중성자별이 서로에 대해 공전하며 PSR J1930-1852라는 펄서를 뿜어내는 모습을 묘사하고 있다.
고등학생들에 의해 발견된 이 펄서는 지금까지 발견된 짝 중성자 별들 중 가장 간격이 넓은 공전궤도를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
 
고등학생들로 구성된 팀이 국립과학재단의 로버트 C. 버드 그린뱅크망원경(Robert C. Byrd Green Bank Telescope, 이하 GBT)의 데이터를 공들여 분석한 결과  이전에는 전혀 볼 수 없었던 펄서를 발견해냈다.

 

천문학자들이 GBT를 이용하여 추가로 관측을 수행한 결과 이 펄서는 모종의 중성자 별을 가장 폭넓은 궤도로 공전하고 있었다.
즉 이 펄서는 우주에서 거의 발견되지 않는 두 개의 중성자 별로 구성된 짝중성자별 중 하나에서 나오는 것이다.
이 인상적인 발견은 천문학자들로 하여금 중성자별로 구성된 이중별이 어떻게 형성되고 진화하는지를 이해하는데 도움을 줄 것이다.

 

펄서는 무거운 별의 초신성 폭발이후 남겨진 고밀도 잔해인 중성자별이 빠르게 자전하면서 만들어진 것이다.
펄서의 회전은 마치 라디오파로 이루어진 등대불처럼 강력한 자기장의 극점으로부터 흘러나와 우주공간을 휩쓴다.
이러한 빛줄기가 지구를 휩쓸고 지나갈 때, 라디오파 망원경이 이 펄서를 라디오파로서 포착해내는 것이다.

 

아스트로피지컬 저널에 개재될 예정인 이번 발견의 결과와 그 의미에 대한 설명은 담고 있는 논문의 주 저자인 웨스트버지니아 대학 물리학 및 천문학 과정의 대학원생인 조 스위검(Joe Swiggum)의 소감은 다음과 같다.
"펄서는 우주에서 가장 극단적인 천체에 해당합니다.
학생들이 발견한 천체는 이러한 펄서 중 하나로서 정말이지 독특한 환경을 가지고 있죠."

 

펄서의 약 10퍼센트 정도는 이중별을 구성하고 있는 것으로 알려져 있다.
이들 중 상당수는 그 짝으로서 백색난쟁이별 주위를 돌고 있는채로 발견된다.

 

이들 중 극소수가 중성자 별이나 우리 태양과 같은 주계열상의 별 주위를 공전하는 것으로 알려져 있다.
천문학자들이 생각하는 두 개의 중성자 별로 이루어진 이중별이 매우 드물게 존재하는 이유는 펄서와 중성자 별이 생성되는 과정과 연관이 있다.

 

무거운 별이 초신성으로서 평범한 삶의 끝자락에 다다랐을 때, 그 폭발은 한쪽 측면의 일부에서만 발생할 수 있고, 이로인해 남겨진 별의 핵은 원래 자리에서 튕겨나갈 수 있다.
이러한 일이 발생하면 중성자 별은 우주 공간으로 밀려나가게 된다.
이렇게 채여나가는 현상, 그리고 이와 연계된 초신성 폭발로부터 잃어버린 질량으로 인해 동일한 지역에 중력적으로 서로 얽혀있는 두 개의 별들이 현저하게 가벼운 몸집으로 남아 있을 수 있게 된다는 것이다.

 

공식적으로 PSR J1930-1852라는 등재명을 받은 이 펄서는 2012년 버지니아 스트라스버그 고등학교의 학생이었던 세실리아 맥고프(Cecilia McGough)와 볼티모어 폴 로렌스 던바 고등학교의 학생이었던 데샹 레이(De’Shang Ray)에 의해 발견되었다.

 

이 학생들은 당시 국립과학재단이 주최하는 현장학습프로그램인 펄서탐사협력여름워크샵에 참여한 학생들로서 GBT가 수집한 펄서 탐사 데이터를 분석하는데 흥미를 가지고 있는 고등학생들이 이 프로그램에 참여하였다.

 

학생들은 종종 수 주에서보터 수 개월의 시간을 데이터를 분석하며 펄서로 지목할 수 있을만한 독특한 신호를 찾는데 보냈다.
여기서 강력한 펄서의 후보군을 식별한 학생들이 그린뱅크에 방문하여 자신들의 발견을 천문학자들과 함께 확정하는 작업을 진행하였다.

 

천문학자들은 이 새로운 펄서를 이중별의 일부로서 결정하였다.
이것은 최초로 감지된 신호와 이어진 관측간에 관측된, 서로 다른 회전 주기(초당 회전수)의 차이를 근거로 결정된 것이었다.

 

그러나 동일한 지역에 대한 가시광 망원경의 관측결과 이곳에서는 아무런 동반성도 발견되지 않았다.
만약 그곳에 백색난쟁이 별이나 주계열상의 별이 있었다면 그것은 반드시 목격될 수밖에 없는 상황이었다.

 

스위검은 가시광 신호에서 아무것도 발견되지 않았다는 점과 펄서의 주기를 주의깊게 재검토한 결과 이곳에 또다른 중성자 별이 이중별로서 존재하는 것 같다는 결론을 내리게 되었다고 말했다.

 

그리고 이 펄서의 시간 간격에 대한 추가 분석 결과 이 두 개의 중성자 별은 지금까지 관측된 그 어떤 짝중성자별보다도 훨씬더 넓은 간격을 두고 떨어져 있다는 점을 유추할 수 있게 되었다.

 

두 개의 중성자 별로 구성된 이중별에서 몇몇 펄서들은 서로에 대해 매우 가까이 위치하고 있어 공전궤도의 크기가 태양의 크기와 비교될만한 경우도 있으며 이들의 공전주기는 하루가 채 되지 않는 경우도 있다.
그러나 J1930-1852 의 공전 주기궤도는 5,200만 킬로미터 떨어져 있다.

이는 대략 태양과 수성정도 까지의 거리에 해당하며 공전주기는 45일정도이다.

 

스위검의 설명은 다음과 같다.
"이 중성자별들의 공전궤도는 지금까지 알려진 짝중성자별들의 공전궤도보다 두 배 이상 넓습니다.
이 펄서의 각종 조건들은 이와 같은 이중별들이 어떻게 생성될 수 있는지에 대한 값진 단서들을 제공해주고 있습니다.
J1930-1852 와 같은 외계 이중별의 발견은 이중별의 진화가 취할 수 있는 보다 넓은 범위의 가능성에 대해 명확하게 보여주는 것이라 할 수 있습니다."
 

 

 

사진 1> 100미터 구경의 로버트 C.버드 그린뱅크망원경  Credit: NRAO/AUI/NSF

 

펄서탐사협력발견 프로그램은 계속되고 있다.
천문학자들은 GBT가 만들어낸 130테라바이트의 데이터에서 이전에는 알지못했던 제법 많은 펄서가 발견될 것으로 기대하고 있다.

 

펄서탐사협력 프로그램은 국립전파천문대와 웨스트버지니아 대학간의 협력 프로젝트이다.
이 프로그램의 목표는 고등학교 학생들에게 실제 연구 기회를 경험하게 하는데 있다.

 

현재 펜실베니아 주립대학 슈레이어 아너스 컬리지의 학생으로서 천문학, 천체물리학 및 물리학을 전공하고 있는 맥거프의 소감은 다음과 같다.
"그 경험이 제게 가르쳐 준 것은 좋은 과학자가 되기 위해 꼭 아인슈타인이 되어야 할 필요는 없으며 지금 제가 하고 있는 일에 집중하고 열정을 바치고 몰두하면 된다는 것이었습니다."
 

볼티모어 커뮤니티 컬러지에서 생물학, 생명공학 및 응급의학서비스를 공부하고 있는 레이의 소감은 다음과 같다.
"우리는 하늘을 바라보고 우주를 공부할 때, 그곳에서 무슨일이 벌어지고 있는지를 이해하고자 노력했습니다.
이 경험이 우리가 무엇이 될 수 있고 무엇을 여지껏 보지 못했는지를 상상하고 탐사하며 꿈꾸는데 많은 도움을 주었죠."

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 5월 1일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/pulsar-wide-orbit

 

 

참고 : PSR J1930-1852를 비롯한 각종 펄서에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12347923

 

 

원문>

For release: May 1, 2015

Pulsar with Widest Orbit Ever Detected, Discovered By High School Research Team

A team of highly determined high school students discovered a never-before-seen pulsar by painstakingly analyzing data from the National Science Foundation’s (NSF) Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT). Further observations by astronomers using the GBT revealed that this pulsar has the widest orbit of any around a neutron star and is part of only a handful of double neutron star systems.

This impressive find will help astronomers better understand how binary neutron star systems form and evolve.

Pulsars are rapidly spinning neutron stars, the superdense remains of massive stars that have exploded as supernovas. As a pulsar spins, lighthouse-like beams of radio waves, streaming from the poles of its powerful magnetic field, sweep through space. When one of these beams sweeps across the Earth, radio telescopes can capture the pulse of radio waves.

“Pulsars are some of the most extreme objects in the universe,” said Joe Swiggum, a graduate student in physics and astronomy at West Virginia University in Morgantown and lead author on a paper accepted for publication in the Astrophysical Journal explaining this result and its implications. “The students’ discovery shows one of these objects in a really unique set of circumstances.”

About 10 percent of known pulsars are in binary systems; the vast majority of these are found orbiting ancient white dwarf companion stars. only a rare few orbit other neutron stars or main sequence stars like our Sun. The reason for this paucity of double neutron star systems, astronomers believe, is the process by which pulsars and all neutron stars form.

When a massive star goes supernova at the end of its normal life, the explosion can be a little one-sided, imparting a “kick” to the remaining stellar core. When this happens, the resulting neutron star is sent hurtling through space. These kicks -- and the corresponding mass loss from a supernova explosion -- mean that the chances of two such stars remaining gravitationally locked in the same system are remarkably slim.

This pulsar, which received the official designation PSR J1930-1852, was discovered in 2012 by Cecilia McGough, who was a student at Strasburg High School in Virginia at the time, and De’Shang Ray, who was a student at Paul Laurence Dunbar High School in Baltimore, Maryland.

These students were participating in a summer Pulsar Search Collaboratory (PSC) workshop, which is an NSF-funded educational outreach program that involves interested high school students in analyzing pulsar survey data collected by the GBT. Students often spend weeks and months poring over data plots, searching for the unique signature that identifies a pulsar. Those who identify strong pulsar candidates are invited to Green Bank to work with astronomers to confirm their discovery.

Astronomers determined that this new pulsar is part of a binary system, based on the differences in its spin frequency (revolutions per second) between the original detection and follow-up observations.

Optical telescope surveys of the same area of the sky, however, revealed no visible companion – which would have been clearly seen if it were a white dwarf star or main sequence star. “Given the lack of any visible signals and the careful review of the timing of the pulsar, we concluded that the most likely companion was another neutron star,” said Swiggum.

Further analysis of the timing of the pulses indicates that the two neutron stars have the widest separation ever observed in a double neutron star system.

Some pulsars in double neutron star systems are so close to their companion that their orbital paths are comparable to the size of our Sun and they make a full orbit in less than a day. The orbital path of J1930-1852 spans about 52 million kilometers, roughly the distance between Mercury and the Sun and it orbits its companion once every 45 days. “Its orbit is more than twice as large as that of any previously known double neutron star system,” said Swiggum. “The pulsar’s parameters give us valuable clues about how a system like this could have formed. Discoveries of outlier systems like J1930-1852 give us a clearer picture of the full range of possibilities in binary evolution.”

Studies involving Pulsar Search Collaboratory discoveries are ongoing; as the PSC program continues, astronomers expect the 130 terabytes of data produced by the 17-million-pound GBT will likely reveal dozens of previously unknown pulsars.  

The Pulsar Search Collaboratory is a joint project between the National Radio Astronomy Observatory and West Virginia University. The goal is to give high school students experience doing real research.  

“This experience taught me that you do not have to be an 'Einstein' to be good at science,” said McGough, who is now a Schreyer Honors College scholar at Penn State University in State College majoring in astronomy and astrophysics and physics. “What you have to be is focused, passionate, and dedicated to your work.”

"As we look up into the sky and study the universe, we try to understand what’s out there,” said Ray, currently a student at the Community College of Baltimore County studying biology, engineering, and emergency medical services. “This experience has helped me to explore, to imagine, and to dream what could be and what we haven’t seen.”

The 100-meter Green Bank Telescope is the world's largest fully steerable radio telescope. Its location in the National Radio Quiet Zone protects the incredibly sensitive telescope from unwanted radio interference, enabling it to perform unique observations.

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

Contact:
Charles Blue, NRAO Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu