예상밖의 시간, 예상밖의 장소에서 발견된 초신성

 

Credit: NASA, ESA, and R. Foley (University of Illinois)

 

사진 1> 허블우주망원경이 촬영한 이 사진에는 타원은하들이 담겨있다.
각 타원은하 내부에 성긴 먼지 대역이 보이는데 이것이 최근 은하 간의 충돌이 있었음을 말해주는 단서이다.

이 먼지 띠들은 좀더 거대한 규모를 가진 타원은하에 삼켜진 작은 은하의 유물이다.

사진에 표시한 X자는 이 은하와 관련이 있는 초신성 폭발이 관측된 지점이다.

각 초신성의 원인이 된 별은 자신의 은하에 있는 한쌍의 블랙홀에 의해 내쳐진 것으로 보인다.

하나로 합쳐진 두 개의 은하는 각각 초거대질량의 블랙홀을 가지고 있었다.

천문학자들은 이 초신성들이 원래는 이중별계를 구성하는 별들이었을 것으로 추측하고 있다.

이 이중별계가 충돌하는 한쌍의 블랙홀 가까이를 지나가다가 은하 바깥으로 내쳐진 것이다.

이렇게 밀려난 이중별계의 별들이 서로 가까워지는 속도가 빨라지면서 초신성 폭발이 촉발된 것이다.

이렇게 자신의 은하로부터 내쳐진 초신성이 발견되는 지점은 다양한 거리 범주를 가지고 있다.

NGC 2768에서 발견된 초신성 SN 2000ds는 자신의 은하로부터 12,000 광년 거리에 위치하고 있으며 NGC 4589에서 발견된 초신성 SN 2005cz은 자신의 은하로부터 7,000광년 거리에 위치하고 있다.

각각의 은하인 NGC 2768은 지구로부터 7,500만 광년 거리에 그리고 NGC 4589는 지구로부터 1억 8백만광년 거리에 위치하고 있다.

이 초신성들은 자신의 은하경계로부터 밀려나 있는 13개의 초신성들 중 일부이다.

이번 연구는 허블우주망원경을 포함한 여러 망원경들의 관측 데이터를 기반으로 수행되었다.

사진의 은하들은 허블 ACS를 이용하여 관측되었다.

NGC 4589가 촬영된 것은 2006년 11월 11일이며, NGC 2768은  2002년 5월 31일에 촬영되었다.

 

과학자들이 일련의 독특한 별 폭발에 매료되고 있다.
이 별들은 자신이 속한 은하의 아늑한 경계 바깥으로 밀려나 있는 별들이다.

NASA 허블우주망원경의 축적 데이터를 포함하여 총 13개의 초신성에 대한 분석결과 왜 어떤 별들은 예상보다 훨씬 젊은 상태에서, 자신의 은하로부터 버림받은 외딴 지역에서 외롭게 폭발하게 되는지를 설명할 수 있게 되었다.

 

이번 연구를 이끈 일리노이 대학교 어바나샴페인 캠퍼스의 라이언 폴리(Ryan Foley)에 따르면 2000년 처음 이러한 유형의 초신성 발견이 시작된 이래 이중별계에서, 그리고 충돌하는 은하들에서, 그래서 두 개의 블랙홀을 가지고 있는 은하들에서 발견되는 이와 같은 초신성은 매우 복잡한 수수께끼로 남아 있었다고 한다.

폴리의 설명은 다음과 같다.
"이 이야기에는 정말 많은 우여곡절이 있죠. 이 여정을 지나오는 매 순간마다 놀라움의 연속이었습니다.
우리는 이미 이 별들이 초신성으로서 폭발한 지점에서 멀리 떨어져 있었어야 한다는 점을 알고 있었습니다.
문제는 이들이 어떻게 현재 지점까지 올 수 있었는가 하는 점이죠."
 

폴리는 죽은 별들이 어떻게든 현재의 지점으로 옮겨온 것이라고 생각했다.

이러한 자신의 생각을 입증하기 위해 폴리는 캘리포니아의 릭천문대의 관측 데이터와 하와이 W.M.켁 천문대 및 쓰바루 망원경의 관측 데이터를 이용하여 별들이 얼마나 빠르게 움직이는지를 조사하였다.

연구 결과 폴리는 죽은 별들이 미리내 중심의 초거대 질량의 블랙홀에 의해 내쳐지는 별과 거의 같은 속도인 시속 7백만킬로미터 이상의 속도로 움직였다는 것을 알아내게 되었다.

천문학자들은 바로 다음으로 이 빠르게 움직이는 초신성이 위치하는 은하의 연령이 어느정도 되는지에 관심을 돌렸다.

허블의 축적 데이터를 이용한 연구 결과 폴리는 이 은하들이 충돌을 통해 다른 은하와 합쳐졌거나 이제막 충돌과정을 마친 거대질량의 타원은하라는 것을 알아냈다.

이들 은하의 먼지 띠들이 삼켜진 은하의 절단된 잔해들이라는 것을 알려준 것이다.

 

또다른 관측자료들 역시 이러한 충돌에 대한 정황증거를 제공해주고 있었다.
예를 들어 수많은 은하들에서 충돌에 의해 에너지를 공급받은 활동성 초거대질량의 블랙홀이 발견되었다.

또한 연구대상이 된 수많은 은하들은 은하간의 충돌이 가장 많이 일어나는 고밀도의 은하단 중심부에 위치하고 있었다.

이 은하들 중 상당수에서 관측된 은하의 중심을 가로지르는 강력한 먼지 띠들 역시 충돌의 역사를 증언해주는 단서였다.

 

이러한 충돌 역사에서 충돌 이전의 은하들과 연관되어 있는 초신성들의 위치는 이 별들이 원래는 이미 충분히 나이를 먹은 별임을 알 수 있게 해준다고 폴리는 말했다.

그리고 이 별들이 이미 충분히 늙은 별이었다면 초신성 폭발을 가능하게 한 물질을 주입시킨 짝꿍별이 반드시 존재했을 것이라고 말했다.

 

그렇다면 이 이중별계는 어떻게 은하의 경계를 벗어날 수 있었을까?

폴리는 한쌍의 블랙홀이 충돌하는 과정에서 발생한 중력다툼 와중에 별들이 은하간 우주공간으로 밀려나게 되었을 것이라는 가설을 세웠다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries and A. Feild (STScI)

 

그림1> 이 삽화는 별들이  자신의 은하 경계로부터 벗어나 초신성으로 폭발하게 되는 과정에 대한 가설을 묘사하고 있다.
1) 한 쌍의 블랙홀이 은하간의 충돌이 발생하는 동안 서로 가까워진다. 각 블랙홀들은 각각 수백만 개의 별들을 이끌고 있다.
2) 이중별계 하나가 두 개의 블랙홀과 가까운 지점을 통과한다.

3) 이 블랙홀들 간의 중력다툼 와중에 이중별계가 은하 바깥으로 내쳐진다. 이와 동시에 이중별 계를 구성하는 별들 간의 거리가 가까워진다.

4) 은하로부터 내쳐진 후 중력파동 내에서 두 개 별이 가지고 있는 궤도 에너지가 점점 사라지면서 이중별들은 서로 가까운 거리로 좁혀진다. 
5) 결국 이중별 중 하나가 중력조석 작용에 의해 산산이 찢겨져 나갈만큼 가까워진다.

6) 이렇게 죽은 별의 물질들이 빠르게 살아 있는 별로 추락하면서 초신성 폭발이 발생하게 된다.

        

허블우주망원경을 이용한 관측 결과는 대상이 된 모든 은하들이 그 중심에 초거대질량의 블랙홀을 가지고 있다는 점이 밝혀졌다.

 

폴리의 시나리오에 따르면 두 개 은하가 충돌한 후 새로 만들어진 은하 중심에서는 각각 자신의 중력장에 묶인 별무리를 거느리고 잇는 두 개 블랙홀이 합쳐지게 된다.

두 블랙홀이 서로 마주 돌며 천천히 거리를 좁혀갈 때, 각 블랙홀이 거느리고 있는 이중별들이 상대방의 블랙홀에 지나치게 가깝게 접근해 들어갈 수 있다.

이 별들 중 상당수가 멀리 내쳐지게 되는데, 이처럼 밀려나는 와중에 있는 이중별들이 서로에 대한 공전궤도가 가까워지게 되면 이중별끼리 충돌하기까지의 시간은 더 단축된다.

 

폴리의 설명은 다음과 같다.
"하나의 블랙홀에서는  이따금 블랙홀에 지나치게 가까워진 별들만이 극단적인 상호작용을 경험하게 됩니다.
이때 만약 블랙홀이 두 개라면 각각의 블랙홀이 거느린 별들은  다른 블랙홀에 가까운 지점까지 끌려들어갈 수 있게 되죠.
이러한 사건에 의해 은하로부터 내쳐지는 별들의 숫자가 드라마틱하게 증가하게 됩니다."
 
미리내 중심의 블랙홀은 100년에 하나꼴로 별들을 밀어내게 되지만 두 개의 초거대 질량의 블랙홀이 있다면 매년 100여개의 별들을 우주공간으로 밀어내게 된다. 

은하로부터 밀려나게 된 이중별계는 서로에 대한 공전궤도가 좁혀지는 속도가 빨라지게 되고, 이로인해 이중별계가 나이를 먹어가는 과정이 가속되어 나타나게 된다.

 

이 이중별계의 별들은 두 개 모두 별들이 모든 에너지를 태워버리고 남은 유골인 백색 난쟁이별일 수 있다.

최종적으로 서로에 대해 너무나 가까워진 백색 난쟁이별들 중 하나는 중력작용에 의해 찢겨질 수 있다. 

이때 죽은 별에서 쏟아져나온 물질이 살아남은 별에 추락하면서 초신성 폭발을 촉발시키게 된다.

 

이렇게 하나의 이중별계가 우주공간으로 밀려나온 후 그 중 하나의 별이 초신성으로 폭발하기까지 소요되는 시간은 상대적으로 짧은 기간인 5천만년 정도이다.

일반적으로 이러한 종류의 이중별계가 하나로 합쳐지는데는 우주의 나이인 130억년보다 훨씬 긴 시간이 소요된다.

 

폴리는 블랙홀과의 상호작용이 이러한 시간을 단축시켜버린다고 말했다.

 

과학자들은 이처럼 자신의 은하에서 멀리 떨어진 초신성 폭발이 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 시나리오는 추정한 상태이지만 왜 이 초신성들이 특이하게도 약한 초신성 폭발을 일으키는지에 대해서는 여전히 그 원인을 확증하지 못하고 있다.

 

이 초신성들은 다른 별 폭발 현상과 비교하여 5배 이상의 칼슘을 생성해냈다.

일반적으로 초신성 폭발은 비교적 가벼운 원소인 칼슘을 만들어내는 대신 철이나 니켈과 같은 무거운 원소를 만들어내기에 충분한 에너지를 만들어낸다.

 

그러나 이 전형적이지 않은 별 폭발에서는 별폭발이 발생하기까지의 일반적인 과정이 중간에서 멈춰진 상태이기 때문에 상당량의 칼슘은 발생하지만 철은 거의 발생하지 않는 폭발이 된다.

 

폴리의 설명은 다음과 같다.
"모든 현상은 이 초신성 폭발이 강도가 낮은 폭발이라는 점을 보여주고 있습니다.
우리는 이러한 폭발이 전형적인 초신성 폭발보다 낮은 운동에너지와 밝기를 가진다는 것을 알고 있습니다.
이중별계가 완전히 해체되는데는 더 많은 에너지가 필요한 반면,  이 초신성 폭발이 쏟아내는 질량은 훨씬 적은 수준입니다."
 

이번 연구 결과는 2015년 8월 13일 발간된 왕립천문학회의 월간회보에 개재되었다.

 

출처 : 허블사이트 2015년 8월 13일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/28/
        

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

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-28

NASA's Hubble Finds Supernovae in 'Wrong Place at Wrong Time'

Scientists have been fascinated by a series of unusual exploding stars-outcasts beyond the typical cozy confines of their galaxies. A new analysis of 13 supernovae — including archived data from NASA's Hubble Space Telescope — is helping astronomers explain how some young stars exploded sooner than expected, hurling them to a lonely place far from their host galaxies.

It's a complicated mystery of double-star systems, merging galaxies, and twin black holes that began in 2000 when the first such supernova was discovered, according to study leader Ryan Foley, University of Illinois at Urbana-Champaign. "This story has taken lots of twists and turns, and I was surprised every step of the way," he said. "We knew these stars had to be far from the source of their explosion as supernovae and wanted to find out how they arrived at their current homes."

Foley thought that the doomed stars had somehow migrated to their final resting spots. To prove his idea, he studied data from the Lick Observatory in California and the W. M. Keck Observatory and the Subaru Telescope, both in Hawaii, to determine how fast the stars were traveling. To his surprise, he discovered that the doomed stars were zipping along at about the same speed as stars that have been tossed out of our Milky Way galaxy by its central supermassive black hole, at more than 5 million miles (7 million kilometers) an hour. The astronomer then turned his attention to the aging galaxies in the area of the speeding supernovae. Studying Hubble archival images, he confirmed that many are massive elliptical galaxies that were merging or had recently merged with other galaxies. The lanes are the shredded remnants of a cannibalized galaxy. Other observations provided circumstantial evidence for such encounters, showing that the cores of many of these galaxies had active supermassive black holes fueled by the collision. Many of the galaxies also reside in dense environments at the heart of galaxy clusters, a prime area for mergers. The telltale clue was strong dust lanes piercing through the centers of several of them.

The location of the supernovae in relation to ancient galaxies indicates that the original stars must have been old, too, Foley reasoned. And if the stars were old, then they must have had companions with them that provided enough material to trigger a supernova blast.

How does a double-star system escape the boundaries of a galaxy?

Foley hypothesizes that a pair of supermassive black holes in the merging galaxies can provide the gravitational slingshot to rocket the binary stars into intergalactic space. Hubble observations reveal that nearly every galaxy has a massive black hole at its center. According to Foley's scenario, after two galaxies merge, their black holes migrate to the center of the new galaxy, each with a trailing a cluster of stars. As the black holes dance around each other, slowly getting closer, one of the binary stars in the black holes' entourage may wander too close to the other black hole. Many of these stars will be flung far away, and those ejected stars in surviving binary systems will orbit even closer after the encounter, which speeds up the merger.

"With a single black hole, occasionally a star will wander too close to it and have an extreme interaction," Foley said. "With two black holes, there are two reservoirs of stars being dragged close to another black hole. This dramatically increases the likelihood that a star is ejected." While the black hole at the center of the Milky Way may eject about one star a century, a binary supermassive black hole may kick out 100 stars a year.

After getting booted out of the galaxy, the binary stars move closer together as their orbits continue to accelerate, which speeds up the binary stars' aging process. The binary stars are likely both white dwarfs, which are the burned out relics of stars. Eventually, the white dwarfs get close enough that one is ripped apart by tidal forces. As material from the dead star is quickly dumped onto the surviving star, an explosion occurs, causing the supernova.

The time it takes for one of these ejected stars to explode is relatively short, about 50 million years. Normally, these kinds of binary stars take a long time to merge, probably much longer than the age of the universe, which is more than 13 billion years.

"The interaction with the black holes shortens that fuse," Foley explained.

While scientists think they have found what causes these outcast supernovae, some mysteries remain unsolved, such as why they are unusually weak. These supernovae produced more than five times as much calcium as other stellar explosions. Normally, supernova explosions have enough energy to create much heavier elements, such as iron and nickel, at the expense of producing the lighter calcium. However, for these atypical explosions, the fusion chain stops midway, leaving lots of calcium and very little iron.

"Everything points to a weak explosion," said Foley. "We know that these blasts have lower kinetic energy and less luminosity than typical supernovae. They also appear to have less ejected mass, whereas a more energetic explosion should completely unbind the star."

The results appear in the August 13 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Ryan Foley
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510-338-3364
rfoley@illinois.edu