라디오파로 중성자별 충돌의 비밀을 파헤치다.

 

Credit: NRAO/AUI/NSF; G. Hallinan & A. Corsi et al., K. Mooley et al.

사진1> VLA가 촬영한 이 라디오파 사진은 두 개 중성자별의 충돌 및 중력파가 발생한 지역으로부터 온 라디오파를 촬영한 것이다. 

사진에서 가운데 점이 충돌이 발생한 곳에서 발생한 전파복사이다. 

 

1억 3천만 광년 거리의 은하에서 초고밀도 중성자별 한쌍이 충돌하였으며 그 결과 블랙홀이 만들어졌을 가능성이 있다. 

그런데 이들은 중력파 뿐 아니라 라디오파도 대량으로 방출하면서 이와 같은 파국적인 사건의 특성에 대한 오랜 질문에 답을 할 수 있는 단서를 제공해주었다.

 

2017년 8월 17일 라이고와 비르고 중력파 천문대가 두 개 중성자별들의 충돌로 축발된 시공간의 희미한 요동이 촉발된 위치를 특정해냈다.

중력파는 1세기 전 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 일반상대성이론을 통해 예견한 것으로서 이번에 탐지된 중력파는 5번째로 관측된 중력파였다.

 

그런데 이번 중력파는 사상 처음으로 빛과 감마선 라디오파와 같은 전자기 복사도 함께 탐지되었다.

 

칼텍의 그레그 할리난(Gregg Hallinan)의 설명은 다음과 같다.

"지금 우리 앞에 펼쳐진 사건은 천문학 역사에서 예전에 발생한 그 어떤 사건들보다 완벽한 사건입니다. 

여기에는 중력파와 전자기파 정보가 함께 담겨 있죠. 

이는 지금까지 우리가 봐온 현상과는 완전히 다른 현상입니다. 

우리는 사상 처음으로 하나의 사건을 보기도 하고 들을 수도 있게 된 것입니다."

 

텍사스기술대학, 알레산드라 코시(Alessandra Corsi)의 소감은 다음과 같다.

"중력파는 우리가 두 개 중성자별의 충돌을 보고 있음을 말해주었습니다. 

라디오파를 통해서는 이 폭발로부터 얼마나 많은 에너지가 만들어졌는지, 얼마나 많은 질량체가 분출되고, 폭발로부터 주변 환경에 어떤 일이 발생하고 있는지와 같은 중요한 질문에 대답을 해주고 있습니다."

 

할리난과 코시를 위시한 동료과학자들은 전지구상에 존재하는 다양한 전파망원경의 협력체계하에 중력파가 감지된 바로 다음날부터 GW170817이라는 이름의 중력파가 검출된 은하를 관측하였다.

 

첫번째 라디오파 관측은 미국국립과학재단의 칼 G. 얀스키 초대형배열(Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)에서 9월 2일에 보고되었다.

VLA에 의해 탐지된 라디오파는 할리난이 핵심적인 역할을 수행하고 있는 연구팀에 의해 라디오파 후광으로서 중력파 폭발과 맵핑되었다.

 

역시 VLA로 관측을 진행한, 코시가 이끄는 좀더 소규모 팀 역시 독자연구를 통해 이 사실을 확정하였다.

 

9월 5일에는 호주의 전파망원경밀집배열(The Australia Telescope Compact Array, 이하 ATCA) 역시 동일 대상에서 라디오파를 관측하였다.

 

미국국립전파처문대 데일 프레일(Dale Frail)의 설명은 다음과 같다.

"이번 사건은 처음으로 두 개 중성자별의 충돌이 명백하게 관측된 사례입니다.

이와 같은 충돌은 감마선폭발의 한 유형을 만들어내는 것으로 추정돼 왔습니다. 

그리고 지금 우리는 그 폭발이 어떻게 발생하고 후광이 어떻게 진행되는지에 대해 이 이론이 제시해왔던 내용을 점검할 수 있는 기회를 맞은 것입니다"

 

지금까지 전파관측에 의해 제시된 증거들은 거의 빛의 속도에 육박하는 속도로 움직이는 입자의 제트를 만들거나 폭발로부터 조금은 더 느린속도로 팽창하는 물질들의 고치가 만들어지고 있다는 점을 말해준다고 한다.

 

코시의 설명은 다음과 같다.

"지금도 라디오파는 계속 탐지되고 있습니다. 아마 이 현상은 수개월 또는 수년 동안 계속될 것입니다.

이 라디오파는 우리에게 어떤 가설이 맞는지를 말해줄 것입니다."

 

게다가 라디오파 관측은 이 폭발 주위의 밀도 및 팽창하고 있는 물질이 어떤 물질인지에 대한 정보도 제공해줄 것이다.

 

JAGWAR 프로그램의 수석 연구원인 옥스포드 대학 쿠날 물리(Kunal Mooley)의 설명은 다음과 같다.

"또다른 흥미로운 가능성은 만약 라디오파가 이 물질고치에서 오는 것이라면 수천 킬로미터 거리로 이격된 전파망원경들을 이용하여 이 물질들을 고해상도 라디오파로 직접 촬영할 수 있을 것이라는 점입니다.

바로 몇 개월 만에 그 사실을 알 수 있게 될 것입니다."

 

할리난의 설명은 다음과 같다. 

"이 폭발의 물리학을 익히는데 있어 전파망원경은 핵심적인 역할을 수행합니다.

라디오파 복사는 이번 파티에 늦게 도착했지만 가장 마지막까지 남아 있는 복사이기도 하죠.

우리는 향후 몇달동안 이 사건에서 발생할 중대한 사실을 계속 익혀갈 수 있을 것입니다."

 

이 천체는 라디오파를 사용하는 천문대를 제외하고 지상에 위치하는 대부분 망원경의 감지한도 아래까지 희미해진 상태이다. 

따라서 VLA는 매우 중요한 역할을 지속적으로 수행하게 될 것이다.

 

물리의 설명은 다음과 같다. 

"이번 사건은 황금과 같은 무거운 원소를 생성하는 중성자별들의 충돌 과정을 처음으로 목격한 사례입니다. 

여기에는 폭발로부터 바깥쪽으로 몰아쳐나오는 물질들과 전파가 만들어지는 과정이 포함되어 있죠.

이것은 우리 모두에게도 중성자별의 충돌로부터 발생한 물질들이 조금씩 섞여 있다는 것을 의미합니다."

 

할리난과 코시의 연구팀은 이번 연구 결과를 사이언스지에 발표하였다.

이외에도 많은 연구팀이 VLA를 이용하여 이번 사건으로부터 발생한 전파를 관측했다.

 

Credit: NRAO/AUI/NSF; G. Hallinan & A. Corsi et al., K. Mooley et al.

사진 2> 동일한 지역을 촬영한 이 사진에는 아직 전파복사가 발생하지 않고 있다. 

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF; G. Hallinan & A. Corsi et al., K. Mooley et al.

사진 3> 라디오파에서 중성자별의 충돌이 포착되는 모습

 

 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF.

동영상 > 중성자별의 충돌과 그 여파를 구성한 동영상

 

출처 : 미국국립전파천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2017년 10월 16일자 

       https://public.nrao.edu/news/radio-eyes-unlocking-secrets/#PRimage2

 

참고 : GW170817의 과학적 의미에 대한 보다 다양한 내용은 아래 링크를 참고하세요.
          ESO 발표뉴스 : https://big-crunch.tistory.com/12349319
          HUBBLE 사이트 발표뉴스 : https://big-crunch.tistory.com/12349317

 

원문>

News Release: October 16, 2017 at 10:00 am

Radio “Eyes” Unlocking Secrets of Neutron-Star Collision

When a pair of superdense neutron stars collided and potentially formed a black hole in a galaxy 130 million light-years from Earth, they unleashed not only a train of gravitational waves but also an ongoing torrent of radio waves that are answering some of the biggest questions about the nature of such a cataclysmic event.

On August 17, the LIGO and Virgo gravitational-wave observatories combined to locate the source of faint ripples in spacetime caused by the merger of the two neutron stars. This was only the fifth direct detection of gravitational waves, which were predicted more than a century ago by Albert Einstein’s General Theory of Relativity. In this case, for the first time, electromagnetic radiation — light, gamma rays, and radio waves — were detected coming from the same object that emitted the gravitational waves.

“The story that now is unfolding is more complete than for any previous event in astronomical history. With information provided by both gravitational waves and electromagnetic waves, which are completely different phenomena, it’s like being able to both see and hear the same event for the first time,” said Gregg Hallinan, of Caltech.

“The gravitational waves confirmed that we’re seeing the merger of two neutron stars, and the radio waves we’re observing are going to answer important questions about how much energy was in the explosion, how much mass was ejected, and what kind of environment this explosion occurred in,” said Alessandra Corsi, of Texas Tech University.

Hallinan, Corsi and collaborators coordinated various radio telescopes across the globe to observe the galaxy in which the explosion, called GW170817, occurred just a day after the gravitational waves were detected. The first detection of radio waves came from the National Science Foundation’s Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) on September 2. This radio discovery was made by the Jansky VLA mapping of Gravitational Wave bursts as Afterglows in Radio (JAGWAR) team, where Hallinan played a key role. Independent confirmation came subsequently from a smaller team led by Corsi, also observing with the VLA. The Australia Telescope Compact Array (ATCA) also detected radio emission from the object on September 5.

“This event is the first unambiguous detection of a merger of two neutron stars,” said Dale Frail of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO). “Such mergers are thought to be the cause of one type of Gamma Ray Burst, and we now have the opportunity to test the theories that have been proposed about how those bursts and their afterglows work,” he added.

So far, the scientists said, the evidence provided by the radio observations indicates that the explosion either produced a jet of particles moving at nearly the speed of light that we are seeing at an angle widely separated from the jet’s axis, or that there is a “cocoon” of material expanding more slowly from the explosion.

“The radio waves are still coming in, and will continue to do so for months or even years,” Corsi said. “Their behavior over that time will tell us which story is correct.”

In addition, the radio observations will tell the scientists how dense the environment around the explosion is, and into which the debris is expanding.

“Another exciting possibility is that if the radio emission is coming from a cocoon, we may be able to directly image it with high-resolution radio telescope systems using antennas separated by thousands of miles,” said Kunal Mooley, of the University of Oxford in the UK, who is the principal investigator of the JAGWAR program. “We should know about this in just a few months.”

“Radio telescopes now are our key to learning the physics of this explosion. The radio emission came late to the party, but it’s the last to leave! We will continue to learn important facts about this event in the coming months,” Hallinan said.

The object already has faded below the sensitivity limits of most ground-based telescopes except at radio wavelengths, where the VLA will continue to play a very important role.

“This event is our first look at the neutron-star collision process that creates heavy elements such as gold, which are included in the material moving outward from the explosion and producing the radio waves. That means that there is a little bit of neutron-star merger material in all of us,” Mooley said.

Hallinan and Corsi’s team reported their results in the journal Science.

Another team of VLA observers, led by Kate Alexander, a graduate student at Harvard, also observed the region, starting soon after the gravitational-wave detection. This team first detected radio emission from the event on September 5, with a stronger detection on September 25. They favor the explanation that the radio emission is the result of a fast-moving jet of particles seen from Earth at an angle of 20-40 degrees from the jet’s axis. They also conclude that the VLA will be able to detect radio waves from the event for weeks to months, and, with next-generation radio telescopes now on the drawing boards, possibly for decades.

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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LINK: Hallinan, Corsi, et al,  Paper in Science.

LINK: Alexander, et al., Paper in Astrophysical Journal Letters.