가장 강력한 감마선 폭발을 만들어내는 마그네타.

Credit:ESO

 

그림1> 이 상상화는 초신성 및 이와 연관된 감마선 폭발의 모습을 담고 있다.
이 감마선 폭발은 매우 강력한 자기장을 가지며 빠르게 회전하는 마그네타(Magnetar)라는 이름의 독특한 천체에 의해 추동되고 있다.

ESO 라 실라 천문대와 파라날 천문대에서 수행된 관측을 통해 오랜 시간동안 지속되는 감마선 폭발과 유독 밝게 빛나는 초신성 폭발 간의 상관관계가 처음으로 드러났다.

이번 관측결과는 감마선 폭발 GRB 111209A에 이어 나타난 초신성 폭발이 예상과 달리 방사성 붕괴가 아니라 마그네타 주위의 강력한 자기장 붕괴에서 에너지를 얻고 있다는 점을 보여주었다.

이번 연구 결과는 2015년 7월 9일 네이처 지에 개재되었다.

 

초강력 마그네타에 의해 발생하는 우주의 가장 거대한 폭발.

 

ESO 라 실라 천문대와 파라날 천문대에서 진행된 관측을 통해 오랜 시간동안 지속되는 감마선 폭발과 예외적으로 밝게 나타나는 초신성 폭발 간의 연관 관계가 처음으로 드러났다.
 
감마선 폭발(Gamma-ray bursts, GRBs)은 빅뱅 이후 우주에서 발생하는 가장 거대한 폭발과 연관된 결과물 중 하나이다.
감마선 폭발은 지구의 대기를 투과하지 못하는 고에너지 복사 영역에 특히 민감하게 설계된 우주망원경에 의해 우선 탐지되며 이보다 더 긴 파장은 우주와 지상에 위치한 망원경들에 의해 관측된다.

 

감마선 폭발은 일반적으로 수 초 정도만 지속되는데 간혹 특이하게도 몇 시간동안 지속되는 경우가 있다.[1]

 

가장 긴 시간동안 지속된 감마선 폭발 중 하나가 2011년 12월 9일, 스위프트 위성에 의해 탐지되었으며 GRB 111209A 로 등재되어 있다.

이 감마선 폭발은 지금까지 관측된 감마선 폭발 중 가장 길고 가장 밝은 감마선 폭발이었다.

 

이 폭발이 잦아들어 잔광만 남았을 때 라 실라 천문대의 MGB/ESO 2.2미터 망원경에 탐재된 GROND 장비와 파라날 천문대의 초거대망원경(the Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착된 X-Shooter 장비를 이용한 연구가 진행되었다.
그리고 그 잔광 속에서 후에 SN 2011kl로 명명된 초신성의 명확한 신호가 감지되었다.

 

이것은 '가장 긴 감마선 폭발'과 연관되어 발견된 초신성으로는 최초의 사례이다. [2]

이번 논문의 주저자인 막스플랑크 외계물리연구소 요켄 그라이너( Jochen Greiner)의 설명은 다음과 같다.
"오랜시간 동안 지속되는 감마선 폭발은 1만 개에서 10만 개 정도의 초신성 폭발마다 한 번 꼴로 발생한다는 사실로 봤을 때 이러한 폭발을 수반하는 별은 뭔가 특별한 점이 있을 것임에 틀림없습니다.
천문학자들은 감마선 폭발이 엄청나게 무거운 별에서 발생할 것이라고 생각해왔죠,  아마도 태양 질량의 50배 정도의 질량을 가진 별정도 말입니다.

감마선 폭발은 이처럼 무거운 별들이 폭발을 통해 블랙홀을 만들어내며 발산하는 신호일수 있죠.
그런데 이번에 우리가  GRB 111209A에 이어 발견한 SN 2011kl은 가장 긴 시간의 감마선 폭발에 대한 이러한 패러다임을 변화시키고 있습니다"
 
붕괴별(Collapsar)로 알려져 있는 대단히 무거운 별의 붕괴에 대해 선호되고 있는 시나리오는 초신성으로부터 일주일 정도 뿜어져나오는 가시광선 및 적외선 복사선은 초신성 폭발 와중에 형성된 니켈-56의 방사성 붕괴로부터 발생하는 것으로 추측하고 있다.[3]

 

그러나 GRB 111209A 의 경우 GROND와 VLT 관측 데이터를 조합하여 본 결과 이러한 시나리오에 맞지 않는 경우임에 처음으로 명확하게 밝혀졌다.[4]

그리고 이를 근거로 또 다른 가설들도 모두 배제되었다.[5]

 

GRB 111209A와 연이은 초신성의 관측에 딱들어맞는 유일한 설명은 이 초신성이 마그네타에 의해 에너지를 공급받고 있을 것이라는 가정이다.
-  마그네타는 작은 중성자별로서 초당 수백번의 회전을 하며 라디오파 펄서[6]로도 알려져 있는 일반적인 중성자 별들보다 훨씬 강력한 자기장을 형성하고 있는 별을 말한다. 

마그네타는 우주에서 가장 강력한 자성을 띤 천체로 생각된다.

 

초신성과 마그네타 간에 이처럼 명확한 연관관계를 추측 가능하게 한 것은 이번이 처음이다.

논문의 공동저자인 파올로 마찰리(Paolo Mazzali)가 생각하는 이번 발견의 의의는 다음과 같다.
"이번 결과는 감마선 폭발과 매우 밝은 초신성, 그리고 마그네타 간의 전혀 뜻밖의 관련성에 대한 훌륭한 증거를 제공해주고 있습니다.
이러한 연관성 중 부분적인 연관관계에 대해서는 수년동안 이론적 기반을 가지고 이미 추정되어온 사항이기도 합니다.
그러나 이 모든 것을 하나의 관계로 엮은 것은 새로운 성과에 해당합니다.."

 요켄 그라이너의 결론은 다음과 같다.
"SN 2011kl과 GRB 111209A 는 우리로하여금 붕괴별 시나리오에 대한 대안책을 고려할 것을 요구하고 있습니다.
이번 발견은 감마선 폭발에 대해 새롭고도 훨씬 명확한 장면으로 우리를 안내해 줄 것입니다."
 

각주

[1] 일반적으로 긴시간 지속되는 감마선 폭발이라하면 그 지속 시간은 2 초에서 2,000 초 사이이다.
현재 1만초에서 2만 5천 초 사이까지 지속된 것으로 알려진 감마선 폭발은 총 네 번 감지되었으며 이 감마선 폭발은 '가장 긴 감마선 폭발(ultra-long GRBs)'이라 부른다. 

감마선 폭발의 종류로 완전히 다른 메커니즘에 의해 생성되는 것으로 보이는 '짧은 감마선 폭발'과는 명백히 구분된다

(참고 : https://big-crunch.tistory.com/12346748 짧은 감마선 폭발)

 

[2] 초신성과 일반적인 장시간 감마선 폭발간의 연관관계가 처음으로 규명된 것은 1998년 ESO 천문대의 SN 1998bw라는 초신성 관측을 통해서였다. 
이 초신성과 GRB 030329 와의 연관성은 2003년 확정되었다.

 

[3] 감마선 폭발은 광속에 육박하는 제트에 의해 에너지를 공급받는 것으로 생각되고 있다.

이 제트는 뜨거운 고밀도 강착원반을 통해 중심의 고밀도 천체로 추락하고 있는 물질들에 의해 만들어진 것이다.

 

[4] GROND를 이용하여 측정된 초신성의 니켈-56의 양은 너무나 많아서 X-Shooter를 이용하여 관측한 강력한 자외선 복사와 양립되지 않았다.

 

[5] 엄청난 밝기를 지닌 초신성의 에너지원을 설명하는 또다른 가설은 주위를 둘러싼 물질과의 충격상호작용을 가정하고 있다.
여기서 주위를 둘러싼 물질들은 폭발 전 분출된 별의 껍질일 수도 있고, 청색거성 원시별일 수도 있다.  
그러나 SN 2011kl 의 관측 결과는 명백하게 이 모든 경우에 해당되지 않았다.

 

[6] 펄서는 관측가능한 대부분의 일반등급의 중성자별에서 나타난다.

그러나 마그네타는 펄서에서 관측되는 자기장보다 100배에서 1000배까지 강력한 자기장을 가지고 있을 것으로 추측된다. 
    
출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2015년 7월 8일자
         http://www.eso.org/public/news/eso1527/

 

참고 : 초신성과 감마선 폭발 등 극단의 천체에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
          초신성 : https://big-crunch.tistory.com/12346989
          감마선폭발 : https://big-crunch.tistory.com/12346988

 

원문>

eso1527 — Science Release

Biggest Explosions in the Universe Powered by Strongest Magnets

Some long-duration gamma-ray bursts are driven by magnetars

8 July 2015

Observations from ESO’s La Silla and Paranal Observatories in Chile have for the first time demonstrated a link between a very long-lasting burst of gamma rays and an unusually bright supernova explosion. The results show that the supernova was not driven by radioactive decay, as expected, but was instead powered by the decaying super-strong magnetic fields around an exotic object called a magnetar. The results will appear in the journal Nature on 9 July 2015.

Gamma-ray bursts (GRBs) are one of the outcomes associated with the biggest explosions to have taken place since the Big Bang. They are detected by orbiting telescopes that are sensitive to this type of high-energy radiation, which cannot penetrate the Earth’s atmosphere, and then observed at longer wavelengths by other telescopes both in space and on the ground.

GRBs usually only last a few seconds, but in very rare cases the gamma rays continue for hours [1]. one such ultra-long duration GRB was picked up by the Swift satellite on 9 December 2011 and named GRB 111209A. It was both one of the longest and brightest GRBs ever observed.

As the afterglow from this burst faded it was studied using both the GROND instrument on the MPG/ESO 2.2-metre telescope at La Silla and also with the X-shooter instrument on the Very Large Telescope (VLT) at Paranal. The clear signature of a supernova, later named SN 2011kl, was found. This is the first time that a supernova has been found to be associated with an ultra-long GRB [2].

The lead author of the new paper, Jochen Greiner from the Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany explains: “Since a long-duration gamma-ray burst is produced only once every 10 000–100 000 supernovae, the star that exploded must be somehow special. Astronomers had assumed that these GRBs came from very massive stars — about 50 times the mass of the Sun — and that they signalled the formation of a black hole. But now our new observations of the supernova SN 2011kl, found after the GRB 111209A, are changing this paradigm for ultra-long duration GRBs.”

In the favoured scenario of a massive star collapse (sometimes known as a collapsar) the week-long burst of optical/infrared emission from the supernova is expected to come from the decay of radioactive nickel-56 formed in the explosion [3]. But in the case of GRB 111209A the combined GROND and VLT observations showed unambiguously for the first time that this could not be the case [4]. Other suggestions were also ruled out [5].

The only explanation that fitted the observations of the supernova following GRB 111209A was that it was being powered by a magnetar — a tiny neutron star spinning hundreds of times per second and possessing a magnetic field much stronger than normal neutron stars, which are also known as radio pulsars [6]. Magnetars are thought to be the most strongly magnetised objects in the known Universe. This is the first time that such an unambiguous connection between a supernova and a magnetar has been possible.

Paolo Mazzali, co-author of the study, reflects on the significance of the new findings: “The new results provide good evidence for an unexpected relation between GRBs, very bright supernovae and magnetars. Some of these connections were already suspected on theoretical grounds for some years, but linking everything together is an exciting new development."

“The case of SN 2011kl/GRB 111209A forces us to consider an alternative to the collapsar scenario. This finding brings us much closer to a new and clearer picture of the workings of GRBs," concludes Jochen Greiner.

Notes

[1] Normal long-duration GRBs last between 2 and 2000 seconds. There are now four GRBs known with durations between 10 000–25 000 seconds — these are called ultra-long GRBs. There is also a distinct class of shorter-duration GRBs that are believed to be created by a different mechanism.

[2] The link between supernovae and (normal) long-duration GRBs was established initially in 1998, mainly by observations at ESO observatories of the supernova SN 1998bw, and confirmed in 2003 with GRB 030329.

[3] The GRB itself is thought to be powered by the relativistic jets produced by the star's material collapsing onto the central compact object via a hot, dense accretion disc.

[4] The amount of nickel-56 measured in the supernova with the GROND instrument is much too large to be compatible with the strong ultraviolet emission as seen with the X-shooter instrument.

[5] Other suggested sources of energy to explain superluminous supernovae were shock interactions with the surrounding material — possibly linked to stellar shells ejected before the explosion — or a blue supergiant progenitor star. In the case of SN 2011kl the observations clearly exclude both of these options.

[6] Pulsars make up the most common class of observable neutron stars, but magnetars are thought to develop magnetic field strengths that are 100 to 1000 times greater than those seen in pulsars.

More information

This research was presented in a paper entitled “A very luminous magnetar-powered supernova associated with an ultra-long gamma-ray burst”, by J. Greiner et al., to appear in the journal Nature on 9 July 2015.

The team is composed of Jochen Greiner (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany [MPE]; Excellence Cluster Universe, Technische Universität München, Garching, Germany), Paolo A. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England; Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Germany [MPA]), D. Alexander Kann (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg, Germany), Thomas Krühler (ESO, Santiago, Chile) , Elena Pian (INAF, Institute of Space Astrophysics and Cosmic Physics, Bologna, Italy; Scuola Normale Superiore, Pisa, Italy), Simon Prentice (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Felipe Olivares E. (Departamento de Ciencias Fisicas, Universidad Andres Bello, Santiago, Chile), Andrea Rossi (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg, Germany; INAF, Institute of Space Astrophysics and Cosmic Physics, Bologna, Italy), Sylvio Klose (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg, Germany) , Stefan Taubenberger (MPA; ESO, Garching, Germany), Fabian Knust (MPE), Paulo M.J. Afonso (American River College, Sacramento, California, USA), Chris Ashall (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Jan Bolmer (MPE; Technische Universität München, Garching, Germany), Corentin Delvaux (MPE), Roland Diehl (MPE), Jonathan Elliott (MPE; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Robert Filgas (Institute of Experimental and Applied Physics, Czech Technical University in Prague, Prague, Czech Republic), Johan P.U. Fynbo (DARK Cosmology Center, Niels-Bohr-Institut, University of Copenhagen, Denmark), John F. Graham (MPE), Ana Nicuesa Guelbenzu (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg, Germany), Shiho Kobayashi (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Liverpool, England), Giorgos Leloudas (DARK Cosmology Center, Niels-Bohr-Institut, University of Copenhagen, Denmark; Department of Particle Physics & Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israel), Sandra Savaglio (MPE; Universita della Calabria, Italy), Patricia Schady (MPE), Sebastian Schmidl (Thüringer Landessternwarte Tautenburg, Tautenburg, Germany), Tassilo Schweyer (MPE; Technische Universität München, Garching, Germany), Vladimir Sudilovsky (MPE; Harvard-Smithonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Mohit Tanga (MPE), Adria C. Updike (Roger Williams University, Bristol, Rhode Island, USA), Hendrik van Eerten (MPE) and Karla Varela (MPE).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper
• Photos of the VLT
• Information about the GROND instrument

Contacts

Jochen Greiner
Max-Planck Institut für extraterrestrische Physik
Garching, Germany
Tel: +49 89 30000 3847
Email: jcg@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
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