빠른 전파 폭발 (Fast Radio Burst) 의 정체는 무엇일까?

 

Credit: Jingchuan Yu, Beijing Planetarium

 

그림 1

이 그림은 지구에 도달하는 빠른 전파 폭발을 묘사한 것으로 각각의 색깔은 지구에 도달하는 서로 다른 라디오파 파장을 나타낸다.
짧은 파장(파란색)이 도달하고 수초 후 긴 파장(빨간색)이 지구에 도달하게 된다.

분산(dispersion)이라 부르는 이러한 지체 현상은 라디오파가 우주 플라즈마를 통과하며 이동할 때 발생한다.

 

 

우주의 전파가 아주 짧지만 순간적으로 강한 분출을 일으키는 '빠른 전파 폭발(Fast Radio Bursts, 이하 FRBs)'은 10년 전 처음 발견된 이래 천문학자들을 당혹스럽게 만들어왔다.

 

아주 멀리 떨어진 우주에서 오는 것처럼 보인다는 것 외에 이 수수께끼의 사건이 어떻게, 그리고 어디에서 발생하는 것인지와 같은 기본적인 사실조차 밝혀진 것이 없다.

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 650시간에 달하는 국립과학재단 그린뱅크망원경(Green Bank Telescope, 이하 GBT)의 축적 데이터를 분석함으로써 FRB에 대한 가장 세부적인 기록을 찾아냈다.

연구 결과 이 폭발은 강력한 자기력에 둘러싸인 지역에서 발견된다는 것을 알아냈는데 이는 최근 발생한 초신성이나 새로운 별들을 활동적으로 만들어내고 있는 성운의 내부와 연관이 있을 가능성을 시사한다. 

 

브리티시 컬럼비아 대학 및 캐나다 첨단 연구소의 천문학자 키요시 마쓰이(Kiyoshi Masui)의 설명은 다음과 같다.
"지금 우리는 FRB로부터 발생한 에너지가 생성되자마자 강력한 고밀도 자기장을 통과한다는 것을 알게 되었습니다.
 이러한 사실은 FRB가 발생하는 환경과 이러한 폭발을 발생시키는 사건을 유의미하게 한정해주는 것입니다."

 

고작 수분의 1초라는 짧은 시간동안 감지가능한 만큼의 에너지를 보이는 FRB는 하늘의 어느 방향에서든 무작위로 나타나며 발생 원인이 된 천체를 알 수 없는 짧은 라디오파 섬광으로 나타난다.

비록 이전까지는 이와 같은 현상이 기록된 사례는 얼마되지 않지만 천문학자들은 관측가능한 우주에서 이와 같은 현상은 매일 수천 번씩 발생하고 있는 것으로 생각하고 있다.

 

 

                                   

동영상1> GBT의 관측 데이터에서 FRB를 발견해낸 의미에 대한 카네기 멜론 대학 제프리 피터슨(Jeffrey Peterson)과의 인터뷰
            

 

정체확인을 위한 데이터 추적.

 

천문학자들은 마쓰이와 그의 동료인 남아프리카 공화국 콰줄루-나탈 대학의 조나단 시버스(Sievers)에 의해 빠른 전파 폭발을 감지하기 위한 목적으로 개발된 소프트웨어를 활용하여 FRB 110523 이라 등재된 FRB를 발견하였다.

총 40테라바이트 분량으로 기록된 이 데이터는 분석에 있어 근본적인 도전과제를 만들어냈다.
원래는 짧고 날카로운 주기를 가졌을 FRB가 우주 공간을 여행하면서 오염되었다는 점이 분석을 더더욱 어렵게 만들었다.

 

전파 신호에서 나타나는 이러한 오염은  '분산 지체(dispersion delay)'로 알려져 있는데 이러한 현상은 전파 천문학에서는 천체의 거리를 측정하는 원료로 사용되곤 한다.
분산이 더 크게 나타날수록 대상은 지구에서 더 멀리 떨어져 있는 것이다.

이번에 수집된 FRB의 경우 분산 측정치는 이 FRB가 60억 광년 거리에서 발생한 것임을 말해주었다.

그런데 이러한 분산은 FRB가 기존 축적 데이터 상에도 존재하고 있음을 말해주는 것이었다.

 

새로 개발된 소프트웨어는 분산 효과를 상쇄시키는 방법을 통해 데이터의 분석에 필요한 시간을 줄여주었고, 전파 폭발을 원래 발생했을 당시의 모습으로 재구축해주었다.

 

원래 우주배경복사를 연구하고자 했던 연구팀은 이 소프트웨어를 이용하여 GBT의 데이터를 대상으로 FRB의 후보가 될만한 신호를 찾아나갔다.  

그 결과 6,000 개의 FRB 후보 신호가 도출되었으며 각각의 신호는 연구팀의 일원인 카네기 멜론 대학교의 린수신(Hsiu-Hsien Lin)에 의해 분석되었다.

그의 분석은 오직 하나의 후보가 남을 때까지 계속되었다.

 

 

Credit: T. Jarrett (IPAC/Caltech); B. Saxton, NRAO/AUI/NSF

 

동영상2> 무작위로 발생하는 빠른전파폭발을 묘사한 동영상

 

편광에 숨겨져 있는 세부내용.

 

그런데 이 하나의 신호는 예외적으로 이전에 식별된 어느 신호보다도 편광성에 대한 더더욱 세밀한 정보를 포함하고 있었다.

이전에 관측된 신호들에서는 오직 원형 편광만이 감지되었다.

그런데 GBT의 새로운 연구 자료에는 원형 평광뿐만 아니라 선형 편광도 함께 감지되었다.

 

카네기 멜론 대학 맥윌리엄 우주론센터의 교수인 제프리 피터슨(Jeffrey Peterson)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 엄청난 데이터 더미 속에서 정말 특이한 신호를 발견하였습니다.
 이것은 우리가 알고 있는 FRB의 모든 속성과 들어맞는 속성을 가지고 있었는데 우리가 이전에는 보지못했던 또다른 편광 요소도 가지고 있었습니다."
 
편광이란 빛과 라디오파를 포함하는 전자기 복사의 속성 중 하나로서 파동의 방향성을 말한다.

편광 선글라스는 이러한 속성을 이용하여 태양의 특정 파장을 차단하는데 사용되며 3D 영화에서도 이 속성을 이용하여 입체감을 구현한다.

 

연구원들은 이러한 추가 정보를 이용하여 FRB로부터 나타나는 라디오파의 페러데이 회전을 측정하였고, 강력한 자기장을 통과하는 코르크따개와 같은 형태로 회전하는 라디오파를 얻을 수 있었다.

 

마쓰이의 설명은 다음과 같다.
"이러한 결과는 이 전파폭발이 우리에게 도달하는 와중에 자기장을 통과한다는 것을 말해주는 것이며 이 폭발이 발생한 환경이 어떠한지에 대한 단서를 제공해 주는 것입니다. 또한 이번 결과는 이러한 폭발을 설명해 내기 위한 작업이 필요하다는 점을 이론학자들에게 말해주는 것이죠."
 

또한 분산지체에 대한 측정치는 이러한 폭발을 만들어낸 원천의 최소 크기 제한치를 설정하는데도 사용될 수 있다.

 

이번 연구의 측정치에 의거하여 FRB가 미리내에 위치하고 있는 별에서 발생한다는 가설이 배제되었으며 반드시 또다른 은하에서 발생한다는 점을 도출할 수 있었다.

 

또한 이 신호에 대한 추가 분석을 통해 이 신호가 우리에게 도달하기까지 이른바 '스크린'이라 불리는 두 개의 서로 다른 이온화가스를 통과하였음을 알 수 있었다.

이 두 개 스크린을 통과하면서 겪은 상호작용을 이용하여 천문학자들은 그 상대적인 위치를 결정할 수 있었다.

이중에서 좀더 강력한 영향을 행사한 스크린은 폭발원으로부터 10만 광년 이내에 위치하고 있는 것으로 계산되었는데 이는 이 스크린이 동일한 은하 내에 위치하고 있음을 말해주는 것이다.

 

과학자들이 주목하는 것은 이 신호상에 남겨진 두 가지 흔적이다.
이것은 전파 폭발을 만들어낸 천체가 성운에 의해 둘러싸여 있거나 은하의 중심지역에 자리잡고 있음을 말해주는 것이었다.

 

마쓰이의 설명은 다음과 같다.
"이러한 모든 결과들은 FRB에 대해 좀더 많은 것을 밝혀주고 있으며 이 수수께끼의 사건에 대해 중요한 제약 사항들을 말해주고 있습니다.
우리는 좀더 많은 예를 찾을 수 있는 새로운 도구를 가지고 있으며 따라서 빠른 전파 폭발의 특성을 완전히 이해하는데 가까이 접근할 수 있을 겁니다."

 

이번 결과는 네이처 지에 개재되었다.

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF

 

사진 1> GBT의 데이터로부터 빠른전파폭발이 강력한 자기장을 가진 지역에서 발생한다는 것이 밝혀졌다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 12월 2일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/2015-gbt-frb

 

 

원문>

For Release: December 2, 2015; 1 p.m. EST

'Fast Radio Burst' Sheds New Light on Origin of These Extreme Events

Fast Radio Bursts (FRBs), brief yet brilliant eruptions of cosmic radio waves, have baffled astronomers since they were first reported nearly a decade ago. Though they appear to come from the distant Universe, none of these enigmatic events has revealed more than the slimmest details about how and where it formed, until now.

By poring over 650 hours of archival data from the National Science Foundation's (NSF) Green Bank Telescope (GBT), a team of astronomers uncovered the most detailed record ever of an FRB. Their research indicates that the burst originated inside a highly magnetized region of space, possibly linking it to a recent supernova or the interior of an active star-forming nebula.

"We now know that the energy from this FRB passed through a dense, magnetized region shortly after it formed. This significantly narrows down the source's environment and type of event that triggered the burst," said Kiyoshi Masui, an astronomer with the University of British Columbia and the Canadian Institute for Advanced Research.

Lasting only a fraction of a second yet packing a phenomenal amount of energy, FRBs are brief radio flashes of unknown origin that appear to come from random directions on the sky. Though only a handful have been documented previously, astronomers believe that the observable Universe is rocked by thousands of these events each day.

Mining Data to Find Elusive Nugget

The astronomers found the newly identified FRB, dubbed FRB 110523, by using highly specialized software developed by Masui and his colleague Jonathan Sievers from the University of KwaZulu-Natal in Durban, South Africa.

The recorded data -- a total of 40 terabytes -- created a substantial analysis challenge, which was made even more difficult because the otherwise short, sharp signal of an FRB becomes "smeared out" in frequency by its journey through space.

This smearing of the radio signal, known as dispersion delay, is often used to estimate distance in radio astronomy: the greater the dispersion, the further the object from Earth. In this case, the dispersion measure suggests the FRB originated as far as 6 billion light-years away.

Dispersion, however, masks the presence of an FRB within archival radio data.

The new software decreased the time required to analyze the data by counteracting the effects of dispersion, which restored the burst to its original appearance.

The team -- primarily researchers with cosmology backgrounds -- used this software to conduct an initial pass of the GBT data to flag any candidate signal. This yielded more than 6,000 possible FRBs, which were individually inspected by team member Hsiu-Hsien Lin from Carnegie Mellon University in Pittsburgh. His analysis winnowed the field until only one candidate remained.  

Details Hidden in Polarization

This one signal, however, was exceptional and contained more details about its polarization than any previously identified. Prior to this detection, only circular polarization was associated with an FRB. The new GBT study includes a detection of both circular and linear polarization.

"Hidden within an incredibly massive dataset, we found a very peculiar signal, one that matched all the known characteristics of a Fast Radio Burst, but with a tantalizing extra polarization element that we simply have never seen before," said Jeffrey Peterson, a faculty member in Carnegie Mellon's McWilliams Center for Cosmology.

Polarization is a property of electromagnetic radiation, including light and radio waves, and indicates the orientation of the wave. Polarizing sunglasses use this property to block out a portion of the Sun's rays and 3-D movies use it to achieve the illusion of depth.

The researchers used this additional information to determine that the radio light from the FRB exhibited Faraday rotation, a corkscrew-like twisting radio waves acquire by passing through a powerful magnetic field.

"This tells us something about the magnetic field that the burst traveled through on its way to us, giving a hint about the burst's environment," explained Masui. "It also gives the theorists a bit more to work with when they come up with explanations for these bursts."

In addition, measurements of the dispersion delay can be used to place a lower limit on the size of the source region. In this case, the measurement rules out models for FRBs involving stars in our Galaxy and, for the first time, shows that the FRB must have originated in another galaxy.

Further analysis of the signal reveals that it also passed through two distinct regions of ionized gas, called screens, on its way to Earth. By using the interplay between the two screens, the astronomers were able to determine their relative locations. The strongest screen is very near the burst's source -- within a hundred thousand light-years -- placing it inside the source's galaxy. only two things could leave such an imprint on the signal, the researchers note: a nebula surrounding the source or the environment near the center of a galaxy.

"Taken together, these remarkable data reveal more about an FRB than we have ever seen before and give us important constraints on these mysterious events," concludes Masui. "We also have an exciting new tool to search through otherwise overwhelming archival data to uncover more examples and get closer to truly understanding their nature."

The results are published in the journal Nature.

The 100-meter Green Bank Telescope is the world's largest fully steerable radio telescope. Its location in the National Radio Quiet Zone and the West Virginia Radio Astronomy 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.

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Additional Quotes:

Jay Lockman, National Radio Astronomy Observatory, Green Bank: "FRBs are exotic and enigmatic. This discovery with the GBT is extremely important because for the first time it sheds light on the environment where FRBs can occur."

Maura McLaughlin, West Virginia University: "This burst should be the first of many detections of FRBs with the GBT. In addition, new systems that can detect FRBs in real-time are being developed for the GBT. These will enable follow-up at these events with other telescopes at multiple wavelengths, bringing us even closer to understanding their origins.”

Ue-Li Pen, Canadian Institute for Theoretical Astrophysics at the University of Toronto: "This is the second innovative use of the same GBT data set. The 650 hours were originally taken for a pioneering cosmological survey, which spawned a new generation of radio telescopes: CHIME, Hirax, Tianlai. This new discovery was enabled by the repeated perseverance of this team to again overcome what was previously perceived as futile, and is already impacting the mission of the new telescopes."

The researchers wish to acknowledge the support of the National Science Foundation (Grant Number: 1211777) and the Ministry of Science and Technology of China (Grant Number: 2012AA121701).