컴퍼스자리 X-1 (Circinus X-1)

 

Credit : X-ray: NASA/CXC/Univ. of Wisconsin-Madison/S.Heinz et al; Optical: DSS

 

• 중성자 별 주변에서 나타나는 별의 메아리를 통해 해당 중성자별까지의 정확한 거리를 결정할 수 있었다.

• 이 빛의 메아리는 폭발로부터 발생한 X선이 먼지 구름에 부딪혀 튀어나오면서 만들어진 것이다.

• 천문학에서 거리를 측정하는 것은 어렵기로 악명높은 일이기 때문에 이처럼 빛의 메아리를 만들어내는 천체는 매우 귀한 대상이 된다.

• 컴퍼스자리 X-1 까지의 새로운 거리 측정 결과 그 거리는 이전의 측정치보다 두 배 이상 더 확장되었다.

NASA의 찬드라 X선망원경이 미리내에 반대편에 위치하는 머나먼 천체까지의 거리를 결정할 수 있는 있는 드문 기회를 제공해주고 있다.
이 천체는 컴퍼스자리 X-1 (Circinus X-1)이라 불리는 천체로서 별의 폭발이후 남겨진 핵인 중성자별과 상호공전하는 무거운 별을 품고 있는 천체이다.

 

찬드라우주망원경이 발견한 것은 컴퍼스자리 X-1 주위를 원형으로 둘러싸며 나타나고 있는 4개의 고리이다.

각각 X선의 낮은 에너지 및 중간 에너지, 높은 에너지에 대응되는 빨간색과 초록색, 파란색의 데이터가 DSS에 의해 관측된 가시광선 사진 위에 겹쳐져 있다.

 

사진에서 선이 반듯하게 끊긴 모서리는 이 X선 고리의 거대한 크기에 비해 찬드라 X선 망원경의 감지기의 한 번에 담을 수 있는 너비가 한정되어 있어 특정 부분에 해당하는 데이터만이 수집되었기 때문이다.

 

이 고리는 무엇이고, 이들이 제공해주는 정보는 무엇일까?

 

이 고리는 빛의 메아리로서 이곳 지구에서 우리가 경험하는 메아리와 유사한 현상이다.
소리가 절벽에 되튀어나오는 것처럼, 컴퍼스자리 X-1 주위의 메아리들은 이곳으로부터 폭발되어 나온 X선이 컴퍼스자리 X-1과 지구 사이에 위치하는 먼지 구름에 스쳐지나가면서 발생한다.

 

 

 

이 그림은 찬드라 망원경이 관측한 고리모양의 구조가 어떻게 만들어지게 된 것인지를 자세하게 묘사하고 있다.

 

각 고리는 컴퍼스자리 X-1의 불꽃에서 방출된 X선이 서로 다른 먼지 구름에 부딪히면서 만들어진 것이다.

 

그 구름이 우리에게 가까이 자리잡고 있을수록 고리는 더 크게 나타난다.
결국 찬드라X선 망원경에 의해 관측된 바와 같이 동심원을 이루는 서로 다른 크기의 고리구조는 우리로부터 서로 다른 거리에 위치한 먼지구름에 의해 만들어진 것이다.

 

이 고리의 물리적 크기는 그림에 각각 표기된대로 a 고리는 41 광년, b 고리는 49 광년, c 고리는 55 광년, d 고리는 52 광년이다.

 

찬드라 X선 망원경이 수집한 빛의 메아리와 호주 모프라 전파망원경에 의해 수집된 전파 데이터를 함께 이용하여 중간에 버티고 선 구름까지의 거리를 결정할 수 있었으며 천문학자들은 상대적으로 단순한 기하학을 이용하여 컴퍼스자리 X-1까지의 거리를 추정할 수 있었다.

 

빛의 메아리를 활용하여 계산된 거리는 30,700 광년이다.

 

이러한 결과는 이전에 수행한 연구 결과와는 현격한 차이를 보이는 것으로서 유사한 방법을 이용한 이전의 거리 측정은 이보다는 훨씬 적은 13,000 광년이었다.
이와 같은 차이는 이전 작업에서 관측된 또다른 속성에 의한 영향일 것으로 보인다.

 

이전에 생각했던것보다 거리가 두 배 이상 더 멀어진다는 것은 대상으로부터 쏟아져나오는 빛이 훨씬 많다는 것을 의미한다.
(전구가 우리로부터 멀어진다면 그 빛은 더 희미해진다는 것을 생각해보라.)

 

2013년의 폭발을 포함하여, 컴퍼스자리 X-1은 X선에서 강력한 빛을 뿜어내는 천체로 알려져 있기 때문에 이러한 결과는 컴퍼스자리 X-1이 에딩턴 한계(Eddington Limit)를 넘어섰다는 것을 알려준다.
안쪽으로 끌어당기는 중력과 바깥쪽으로 밀어내는 복사력의 한계점을 말하는 에딩턴 한계에서 중력의 우세는 일반적으로 블랙홀이 자리잡고 있는 곳에서 나타나는 현상이며, 중성자별의 경우는 복사력이 더 우세하게 나타난다.

 

또한 과학자들은 이곳에서 발생하는 고에너지입자 제트의 속도가 광속의 99.9%에 달하는 것으로 계산하였다.

이러한 극단적인 속도는 일반적으로 블랙홀에서 만들어내는 제트와 연관성이 있다.

 

이번 연구 결과는 아스트로피지컬 저널에 개재될 예정이며 온라인 판으로는 현재 확인 가능하다.

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2015년 6월 23일 
         http://chandra.harvard.edu/photo/2015/cirx1/

 

참고 : 컴퍼스자리 X-1 을 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

• Light echoes around a neutron star have allowed a precise distance to be determined to it.

 

• These light echoes are produced when a burst of X-rays bounces off of clouds.

 

• Determining distances in astronomy is notoriously difficult so objects like this are valuable.

 

• The new distance measurement to Circinus X-1 is over twice that of one previously published value.

 

Data from NASA's Chandra X-ray Observatory has helped provide a rare opportunity to determine the distance to an object on the other side of the Milky Way galaxy, as described in our latest press release.

The object is Circinus X-1, containing a neutron star - the collapsed core left behind after a star exploded - in orbit with a massive star. The Chandra data reveal a set of four rings that appear as circles around Circinus X-1. These rings can be seen in the composite image where X-rays from Chandra are red, green, and blue corresponding to low, medium, and high-energy X-rays respectively, which have been combined with a view in visible light from the Digitized Sky Survey. The sharp edges are caused by the large size of the X-ray rings compared to the relatively small field-of-view of the Chandra detectors, providing only partial coverage.

What are these rings and what information do they provide? These rings are light echoes, similar to sound echoes that we may experience here on Earth. Instead of sound waves bouncing off a canyon wall, the echoes around Circinus X-1 are produced when a burst of X-rays from the star system ricochet off of clouds of dust between Circinus X-1 and Earth.

 

This artist's illustration shows in detail how the ringed structure seen by Chandra is produced. Each ring is caused by X-rays from the Circinus X-1 flare bouncing off of different dust clouds. If the cloud is closer to us, the ring appears to be larger. The result, as seen by Chandra, is a set of concentric rings with different apparent sizes depending on the distance of the intervening cloud from us. The physical sizes of the rings, using the labels given the illustration, are 41 light years (ring a), 49 light years (ring b), 55 light years (ring c), and 52 light years (ring d).

By combining the light echoes that Chandra detects with radio data from the Mopra radio telescope in Australia, which determined the distance to the intervening clouds, astronomers can estimate the distance to Circinus X-1 using relatively simple geometry. The light echo method generates a distance of 30,700 light years. The observation thus settles a large difference amongst previous results, one similar to this work and one indicating a much smaller distance of about 13,000 light years.

Such a difference in distance estimate to Circinus X-1 would have implications for other properties that have been observed before in the system. For example, if it is over twice as far away as some have previously thought, then this means its light output is much greater. (Consider a light bulb that is moved farther away, it will appear dimmer.) Because Circinus X-1 has been known to flare strongly in X-ray light, including an outburst in 2013, this implies that the system has exceeded the so-called Eddington Limit. This threshold, which is the balance between the inward pull of gravity and the outward push of radiation from an object, is generally only exceeded by systems containing black holes, not neutron stars.

The researchers also determined that the speed of the jet of high-energy particles produced by the system is at least 99.9% of the speed of light. This extreme velocity is usually associated with jets produced by a black hole.

These results appear in an upcoming issue of The Astrophysical Journal and are available online. NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for the agency's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.

 

 

 

Fast Facts for Circinus X-1:
Credit	X-ray: NASA/CXC/Univ. of Wisconsin-Madison/S.Heinz et al; Optical: DSS
Release Date	June 23, 2015
Scale	Image is 34 arcmin across (about 300 light years)
Category	Neutron Stars/X-ray Binaries
Coordinates (J2000)	RA 15h 20m 41.00s | Dec -51° 10' 00
Constellation	Circinus
Observation Date	9 pointings between Apr 2005 and Apr 2011
Observation Time	50 hours (2 days 2 hours).
Obs. ID	15801, 16578
Instrument	ACIS
References	Heinz, S. et al, 2015, ApJ accepted, arXiv:1506.06142
Color Code	X-ray (Red, Green, Blue); Optical (Gold)

Distance Estimate

About 30,700 light years