티코의 초신성 잔해 : 별의 폭발잔해가 팽창하는 모습을 포착해내다.

 

Credit X-ray: NASA/CXC/GSFC/B.Williams et al; Optical: DSS

 

• 티코의 초신성 잔해의 진화양상이 사상 처음으로 동영상으로 구현되었다.

• 이 일련의 영상은 찬드라 X선 망원경이 15년에 걸쳐 촬영한 사진으로 만들어졌다.
  

• 티코의 초신성은 우주의 팽창을 측정하는데 사용될 수 있는 유형의 초신성이다. 따라서 초신성 자체의 팽창양상을 세세하게 밝혀내는 것은 매우 중요한 일이다.

• 30년 간의 관측치에 해당하는 찬드라 X선 망원경의 관측 데이터와 VLA의 관측데이터를 활용하여 과학자들은 이 초신성 잔해와 그 역사에 대한 새로운 내용들을 알 수 있었다.

 

이 초신성 폭발잔해를 만들어낸 별은 1572년에 폭발하였다.
당시 이 별은 한낮에도 볼 수 있을정도로 밝아졌다.

 

이 멋진 광경을 본 사람이 티코 브라헤(Tycho Brahe)만은 아닐 것이지만 이 덴마크의 천문학자는 이 초신성에 대한 방대한 관측기록을 책으로 남겼고 그 결과 이 초신성에 그 이름이 붙는 영광을 차지하게 되었다.

 

오늘날은 천문학자들은 이 폭발로부터 발생한 잔해를 NASA의 찬드라 X선 망원경과 국립과학재단의 칼 G. 얀스키 초대형 배열을 비롯한 다양한 망원경들을 이용하여 관측하고 있다.
그 결과 현대의 천문학자들은 티코의 초신성 폭발잔해가 백색 난쟁이 별의 폭발로 만들어졌다는 것을 알게 되었으며 이 초신성이 우주의 팽창을 추적하는데 사용하는 이른바 Ia 유형의 초신성에 해당한다는 것을 알게 되었다.

 

 

산산이 부서진 별로부터 쏟아져나온 상당한 양의 물질들은 충격파에 의해 가열되었으며 그 결과 이 잔해들은 X선에서 강렬한 빛을 내고 있다.

 

천문학자들이 찬드라 X선 망원경을 이용하여 2000년부터 2015년까지 촬영한 5장의 사진을 이용하여 이 기간동안 X선으로 관측한 폭발 잔해의 변화 양상을 관측하였다.

지구로부터 약 1만 광년 거리에 존재하는 이 폭발잔해의 팽창은 450년이 지난 오늘날까지도 계속되고 있다.

 

찬드라 X선 관측 데이터에 30여년간에 걸쳐 VLA가 라디오파로 촬영한 3장의 사진을 합성하였다.
천문학자들은 X선과 라디오파 데이터를 이용하여 이 초신성 잔해에 대한 새로운 사실들을 알아내고 있다.

 

천문학자들은 이 팽창잔해의 여러 지점에서 나타나는 속도를 측정하였다.
이 폭발잔해의 거대한 크기는 상대적으로 매우 높은 정확도로 그 움직임을 측정할 수 있게 해주었다.

 

이 폭발 잔해의 외형은 거의 구형에 가까운 형태를 갖추고 있지만, 각각의 지점에서 나타나는 팽창의 속도는 명백하게 다른 양상을 나타내고 있었다.
우측과 하단 우측 방향으로 팽창되어 나가는 속도는 그 반대 방향인 왼쪽과 왼쪽 상단 방향의 속도보다 2배나 빠르다.

 

이러한 차이는 예전 관측에서도 관측된 바 있다.

이러한 팽창 속도의 범위는 초신성 잔해를 둘러싸고 있는 가스의 밀도차이에서 비롯되는 것이다.

 

이는 구형 폭발 잔해 자체를 통해 기하학적으로 추정된 중심점으로부터 실제 폭발지점이 벗어나 있는 위치를 추정할 수 있게 해준다.
천문학자들은 이를 통해 팽창이 시작된 시점의 폭발 잔해의 크기가 현재 반경의 10% 수준이며 그 시발점이 기하학적 중심점의 상단 왼쪽에 자리잡고 있었음을 알아냈다.

 

또한 연구팀은 이 팽창의 최대 속도가 약 시속 1,920만 킬로미터임을 밝혀냈다.
이 속도를 고려해봤을 때 이 팽창잔해는 찬드라 X선 망원경을 이용하여 관측하는 동안 약 1,600억 킬로미터를 팽창한 셈이 된다.
이러한 속도를 역산해 보면 폭발 중심점과 기하학적 중심점은 서로 다른 지점에 있음을 추정할 수 있게 된다.

 

Ia 유형의 초신성에서 그 폭발 중심점의 위치를 이해하는 것은 매우 중요하다.
왜냐하면 이를 통해 짝꿍별이 남아 있는 위치를 특정할 수 있기 때문이다.

 

만약 여전히 그 짝꿍별이 남아 있다면 백색 난쟁이 별이 폭발 임계치까지 질량을 쌓아올리는데 물질을 제공한 역할을 한 이 짝꿍별을 통해 초신성 폭발을 촉발시킨 역학 관계를 규명할 수 있게 된다.

그러나 짝꿍별이 없다면 이 폭발에는 다른 기재가 작용했을 것이다.
두 개의 백색 난쟁이별이 충돌하여 질량 임계치를 넘어 폭발하게 되었다면 아무런 별도 남아 있지 않은 상태가 된다.

 

폭발 중심점으로부터 기하학적 중심점까지의 거리가 현저하게 벌어지는 현상은 비교적 최근에 발생한 현상이다.
처음 몇 백년 동안 이 폭발의 충격파는 너무나 강력해서 가스의 밀도는 이 폭발잔해의 팽창 양상에 아무런 영향도 미치지 못했다.

 

그러나 왼쪽 측면과 오른쪽 측면의 밀도 차이는 이 충격파가 쏟아져나올수록 증가하였고 결국 폭발 중심점과 기하학적 중심점 사이의 간격이 벌어지는 원인이 되었다.

 

따라서 만약 1000년 후 천문학자들이 X선을 이용하여 같은 관측을 한다면 각 중심점이 훨씬 더 벌어진 모습을 보게 될 것이다.
이번 연구결과를 담은 논문은 천체물리학 저널에 개재가 수락되었으며 현재 온라인상에서도 조회가 가능하다.

 

논문에 참여한 과학자들은 다음과 같다.
브라이언 휠리엄스(Brian Williams, NASA 고다드 우주비행센터 및 우주연구대학협회Universities Space Research Association),
로라 초미우크(Laura Chomiuk, 미시간 주립대학 ), 존 휴이트(John Hewitt, 노스 플로리다 대학), 존 블론딘(John Blondin, 노스 캐롤라이나 주립대학), 카지미에르츠 보르코브스키(Kazimierz Borkowski, NCSU), 파비즈 가바미안(Parviz Ghavamian, 토손 대학), 로버트 피터(Robert Petre , GSFC),
스테판 레이놀드(Stephen Reynolds, NCSU)
 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2016년 5월 12일 
        http://chandra.harvard.edu/photo/2016/tycho/

 

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

 

 

원문>

Tycho's Supernova Remnant: Chandra Movie Captures Expanding Debris From a Stellar Explosion

• For the first time, a movie has been made of the evolution of Tycho's supernova remnant.

 

• This sequence includes X-rays observations from Chandra spaced out over a decade and a half.

 

• Tycho belongs to a class of supernovas used to measure the expansion of the Universe so the details of these explosions are very important.

 

• By combining the Chandra data with 30 years worth of observations with the VLA, scientists have learned new things about this remnant and its history.

 

When the star that created this supernova remnant exploded in 1572, it was so bright that it was visible during the day. And though he wasn't the first or only person to observe this stellar spectacle, the Danish astronomer Tycho Brahe wrote a book about his extensive observations of the event, gaining the honor of it being named after him.

In modern times, astronomers have observed the debris field from this explosion - what is now known as Tycho's supernova remnant - using data from NASA's Chandra X-ray Observatory, the NSF's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) and many other telescopes. Today, they know that the Tycho remnant was created by the explosion of a white dwarf star, making it part of the so-called Type Ia class of supernovas used to track the expansion of the Universe.

Since much of the material being flung out from the shattered star has been heated by shock waves - similar to sonic booms from supersonic planes - passing through it, the remnant glows strongly in X-ray light. Astronomers have now used Chandra observations from 2000 through 2015 to create the longest movie of the Tycho remnant's X-ray evolution over time, using five different images. This shows the expansion from the explosion is still continuing about 450 years later, as seen from Earth's vantage point roughly 10,000 light years away.

By combining the X-ray data with some 30 years of observations in radio waves with the VLA, astronomers have also produced a movie, using three different images. Astronomers have used these X-ray and radio data to learn new things about this supernova and its remnant.

 

The researchers measured the speed of the blast wave at many different locations around the remnant. The large size of the remnant enables this motion to be measured with relatively high precision. Although the remnant is approximately circular, there are clear differences in the speed of the blast wave in different regions. The speed in the right and lower right directions is about twice as large as that in the left and the upper left directions. This difference was also seen in earlier observations.

This range in speed of the blast wave's outward motion is caused by differences in the density of gas surrounding the supernova remnant. This causes an offset in position of the explosion site from the geometric center, determined by locating the center of the circular remnant. The astronomers found that the size of the offset is about 10% of the remnant's current radius, towards the upper left of the geometric center. The team also found that the maximum speed of the blast wave is about 12 million miles per hour. This means that the remnant has expanded by about 100 billion miles during the time Chandra has observed it.

Offsets such as this between the explosion center and the geometric center could exist in other supernova remnants. Understanding the location of the explosion center for Type Ia supernovas is important because it narrows the search region for a surviving companion star. Any surviving companion star would help identify the trigger mechanism for the supernova, showing that the white dwarf pulled material from the companion star until it reached a critical mass and exploded. The lack of a companion star would favor the other main trigger mechanism, where two white dwarfs merge causing the critical mass to be exceeded, leaving no star behind.

The significant offset from the center of the explosion to the remnant's geometric center is a relatively recent phenomenon. For the first few hundred years of the remnant, the explosion's shock was so powerful that the density of gas it was running into did not affect its motion. The density discrepancy from the left side to the right has increased as the shock moved outwards, causing the offset in position between the explosion center and the geometric center to grow with time. So, if future X-ray astronomers, say 1,000 years from now, do the same observation, they should find a much larger offset.

A paper describing these results has been accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters and is available online. The authors are Brian Williams (NASA's Goddard Space Flight Center and Universities Space Research Association), Laura Chomiuk (Michigan State University), John Hewitt (University of North Florida), John Blondin (North Carolina State University), Kazimierz Borkowski (NCSU), Parviz Ghavamian (Towson University), Robert Petre (GSFC), and Stephen Reynolds (NCSU).

NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for NASA's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.