중성자별의 충돌로부터 만들어진 무거운 원소를 처음으로 식별해내다.

 

Credit:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

 

그림 1> 유럽의 연구팀이 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착된 X-슈터로 획득한 데이터를 분석하여 중성자별의 충돌에서 만들어진 스트론튬(strontium)의 신호를 분석해냈다.  

이 그림은 매우 작지만 어마어마한 고밀도를 가진 중성자 별이 충돌하여 이제 막 킬로노바로 폭발하는 순간을 그린 것이다.  

앞쪽으로 충돌로부터 만들어진 스트론튬이 묘사되어 있다. 

 

우주에서 갓 만들어진 무거운 원소가 사상 처음으로 관측되었다. 

이번에 감지된 원소는 스트론튬(Sr)으로서 두 개의 중성자 별이 충돌하면서 만들어졌다. 

이번 발견은 ESO 초거대망원경(the Very Large Telescope, 이하 VLT)에 장착된 X-슈터에 의해 이루어졌으며 지난 2019년 10월 23일 네이처에 개재되었다. 

이번 발견으로 무거운 원소는 중성자별의 충돌로 만들어진다는 사실이 확정되었다. 

또한 화학원소의 생성에 대해 기존에는 알 수 없었던 퍼즐 한 쪽이 맞춰졌다. 

 

2017년 중력파가 탐지된 이래 ESO는 VLT를 포함한 칠레의 각종 망원경들을 이용하여 GW170817로 등재된 중력파의 원천인 충돌한 중성자별을 관측해 왔다. 

천문학자들은 만약 무거운 원소가 중성자별의 충돌에 의해 생성되는 것이라면 그 흔적이 GW170817을 만들어낸 충돌의 여파인 킬로노바에서도 탐지될 것으로 추정해왔다. 

바로 그 추정을 이번에 유럽의 과학자들이 ESO VLT에 장착된 X-슈터를 통해 확증해 낸 것이다. 

 

GW170817을 만들어낸 충돌 이후 ESO는 일련의 망원경들을 이용하여 다양한 파장에서 킬로노바 폭발을 지속적으로 모니터링해왔다. 

X-슈터는 자외선에서 근적외선에 이르는 영역의 파장에 특화되어 있는 장비이다. 

킬로노바 관측으로 수집된 데이터에 대한 초기 분석들은 킬로노바에 무거운 원소들이 존재한다는 점을 말해 주고 있었다. 

하지만 그 원소가 구체적으로 무엇인지는 알 수 없었다. 

 

이번 논문의 제1저자인 코펜하겐 대학 다라크 왓슨(Darach Watson)의 설명은 다음과 같다.

"2017년 수집된 자료를 재분석한 결과 우리는 여기서 발생한 특정 원소 하나를 식별해 낼 수 있었습니다.

바로 스트론튬(Sr)이었죠. 

이 원소가 만들어진 것은 바로 중성자 별의 충돌 때문입니다." 

 

스트론튬은 지구의 토양에서 자연스럽게 발견되는 원소이며 특정 광물 내에 집중되어 나타난다. 

불꽃놀이에서 붉은 색을 만들기 위해 염화시킨 이 원소가 사용되기도 한다. 

 

천문학자들은 1950년대 이래 원소들이 만들어지는 물리적 과정을 이해하게 되었다. 

그리고 이어서 수십년 동안 주요 원자들이 만들어지고 있는 우주의 특정 장소들이 특정되어 왔다. 

그런데 여기 예외가 하나 있었다. 

 

왓슨의 설명은 다음과 같다.

"이번 발견은 수십년 동안 이어진 원소의 기원에 대한 문제를 밝혀내는 마지막 단계라 할 수 있습니다. 

우리는 지금까지 일반적인 별의 내부, 초신성의 폭발, 그리고 늙은 별의 외곽 표피부에서 발생하는 원소의 생성 과정을 규명해 냈습니다. 

하지만 지금까지 그 마지막 단계라 할 수 있는 '빠른 중성자 포획(rapid neutron capture)'에 대해서는 알아내지 못했었습니다. 

이것이 바로 주기율표상에 있는 무거운 원소들을 만드는 과정이죠." 

 

'빠른 중성자 포획'이란 원자가 충분히 무거운 원자가 될 수 있을 만큼 빠르게 중성자가 포획하는 과정을 말한다. 

별의 중심에서는 많은 원소들이 만들어진다. 하지만 스트론튬처럼 철보다 무거운 원소들이 만들어지려면 수많은 자유 중성자들이 존재할 수 있는 좀더 뜨거운 환경이 필요하다. 

빠른 중성자 포획은 자연상태에서는 원자들이 어마어마한 중성자들에 휘감길 수 있는 대단히 극단적인 환경에서만 가능하다. 

 

이번 연구에서 중요한 역할을 수행한 막스 플랑크 천문연구소의 카밀라 율 한센(Camilla Juul Hansen)의 설명은 다음과 같다.

"이번 연구는 중성자 포획을 통해 생성된 원소와 중성자 별의 충돌을 직접적으로 연결시킨 최초의 사례입니다. 

이로써 오랫동안 논란이 되어온 중성자포획 과정을 중성자별의 충돌과 결부시킬 수 있게 되었습니다." 

 

과학자들은 이제 막 중성자별의 충돌과 킬로노바에 대해 보다 개선된 이해를 하기 시작했다. 

지금까지 천문학자들은 새로운 현상에 대한 이해 부족과 X-슈터가 폭발로부터 포착해낸 분광데이터의 복잡성으로 인해 개별 원소를 규명해 낼 수 없었다. 

 

이번 연구의 핵심 저자인 코펜하겐 대학의 요나단 셀싱(Jonatan Selsing)의 설명은 다음과 같다. 

"사실 우리는 사건이 발생하자마자 스트론튬을 볼 수 있었다는 결론에 도달했습니다. 

그러나 이를 사실로 단정하는 것은 매우 어려운 일이었습니다. 

이러한 어려움은 무거운 원소들이 분광 데이터 상에 어떤 모습으로 나타나는지를 알 수 없었던 우리들의 무지에서 기인한 것입니다."  

 

GW170817은 다섯번째로 포착된 중력파이다. 

이 중력파의 포착은 미국에 있는 라이고(LIGO)와 이탈리아에 있는 비르고 간섭계가 있었기 때문에 가능했다. 

 

NGC 4993 은하에 자리잡고 있는 충돌체는 중력파와 함께 이를 발생시킨 충돌체가 지구에 있는 망원경으로 포착된 최초이자 유일한 사례에 해당한다. 

라이고와 비르고, VLT간의 협업을 통해 중성자별의 내부와 중성자별들간의 충돌에서 무슨일이 일어나는지에 대해 가장 명쾌한 이해를 얻을 수 있었다. 

 

 

Credit:ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO

 

표 1> 이 도표는 2017년 8월 17일 NGC 4993에서 킬로노바가 감지된 이후 12일간 X-슈터를 이용하여 수집한 분광데이터의 변화양상을 보여주고 있다. 

각각의 스펙트럼은 근자외선에서 근적외선 영역까지를 담고 있으며 드라마틱하게 빛을 잃고 사그러드는 대상의 모습을 잘 표현해 주고 있다. 

 

 

Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

 

표 2> 이 표는 가장 크고 가장 길게 뻗어 있는 별자리인 바다뱀자리를 보여주고 있다. 

별지도 상에 표시된 대부분의 별들은 청명하고 검은 하늘 아래서라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다. 

붉은 색 원으로 표시된 부분이 NGC 4993의 위치이다. 

이 은하는 2017년 8월, 사상처음으로 중력파와 킬로노바가 동시에 관측된 은하이다. 

NGC 4993은 별지기들이 사용하는 대구경의 망원경으로도 희미하게 볼 수 있는 은하이다. 

 

 

Credit:ESO and Digitized Sky Survey 2

 

사진 1> 이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영된 NGC 4993과 그 주위의 하늘을 담고 있는 광대역 사진이다. 

이 은하에서 두 개 중성자 별의 충돌로부터 발생한 중력파와 짧은 감마선폭발, 킬로노바가 관측되었다. 

 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2019년 10월 23일자 

        https://www.eso.org/public/news/eso1917/

         

참고 : GW170817 중력파 탐지를 비롯한 우주론에 관한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

eso1917 — Science Release

First Identification of a Heavy Element Born from Neutron Star Collision

Newly created strontium, an element used in fireworks, detected in space for the first time following observations with ESO telescope

23 October 2019

 

For the first time, a freshly made heavy element, strontium, has been detected in space, in the aftermath of a merger of two neutron stars. This finding was observed by ESO’s X-shooter spectrograph on the Very Large Telescope (VLT) and is published today in Nature. The detection confirms that the heavier elements in the Universe can form in neutron star mergers, providing a missing piece of the puzzle of chemical element formation.

In 2017, following the detection of gravitational waves passing the Earth, ESO pointed its telescopes in Chile, including the VLT, to the source: a neutron star merger named GW170817. Astronomers suspected that, if heavier elements did form in neutron star collisions, signatures of those elements could be detected in kilonovae, the explosive aftermaths of these mergers. This is what a team of European researchers has now done, using data from the X-shooter instrument on ESO’s VLT.

Following the GW170817 merger, ESO’s fleet of telescopes began monitoring the emerging kilonova explosion over a wide range of wavelengths. X-shooter in particular took a series of spectra from the ultraviolet to the near infrared. Initial analysis of these spectra suggested the presence of heavy elements in the kilonova, but astronomers could not pinpoint individual elements until now. 

“By reanalysing the 2017 data from the merger, we have now identified the signature of one heavy element in this fireball, strontium, proving that the collision of neutron stars creates this element in the Universe,” says the study’s lead author Darach Watson from the University of Copenhagen in Denmark. on Earth, strontium is found naturally in the soil and is concentrated in certain minerals. Its salts are used to give fireworks a brilliant red colour. 

Astronomers have known the physical processes that create the elements since the 1950s. Over the following decades they have uncovered the cosmic sites of each of these major nuclear forges, except one. “This is the final stage of a decades-long chase to pin down the origin of the elements,” says Watson. “We know now that the processes that created the elements happened mostly in ordinary stars, in supernova explosions, or in the outer layers of old stars. But, until now, we did not know the location of the final, undiscovered process, known as rapid neutron capture, that created the heavier elements in the periodic table.”

Rapid neutron capture is a process in which an atomic nucleus captures neutrons quickly enough to allow very heavy elements to be created. Although many elements are produced in the cores of stars, creating elements heavier than iron, such as strontium, requires even hotter environments with lots of free neutrons. Rapid neutron capture only occurs naturally in extreme environments where atoms are bombarded by vast numbers of neutrons.

“This is the first time that we can directly associate newly created material formed via neutron capture with a neutron star merger, confirming that neutron stars are made of neutrons and tying the long-debated rapid neutron capture process to such mergers,” says Camilla Juul Hansen from the Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, who played a major role in the study.

Scientists are only now starting to better understand neutron star mergers and kilonovae. Because of the limited understanding of these new phenomena and other complexities in the spectra that the VLT’s X-shooter took of the explosion, astronomers had not been able to identify individual elements until now.

“We actually came up with the idea that we might be seeing strontium quite quickly after the event. However, showing that this was demonstrably the case turned out to be very difficult. This difficulty was due to our highly incomplete knowledge of the spectral appearance of the heavier elements in the periodic table,” says University of Copenhagen researcher Jonatan Selsing, who was a key author on the paper. 

The GW170817 merger was the fifth detection of gravitational waves, made possible thanks to the NSF's Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in the US and the Virgo Interferometer in Italy. Located in the galaxy NGC 4993, the merger was the first, and so far the only, gravitational wave source to have its visible counterpart detected by telescopes on Earth. 

With the combined efforts of LIGO, Virgo and the VLT, we have the clearest understanding yet of the inner workings of neutron stars and their explosive mergers.

More information

This research was presented in a paper to appear in Nature on 24 October 2019.

The team is composed of D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Denmark), C. J. Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Denmark), A. Koch (Center for Astronomy of Heidelberg University, Germany), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Denmark), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Denmark), A. Arcones (Institute of Nuclear Physics, Technical University of Darmstadt, Germany & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany & Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Germany), S. Covino (Astronomical Observatory of Brera, INAF, Milan, Italy), A. Grado (Capodimonte Astronomical Observatory, INAF, Naples, Italy), K. E. Heintz (Centre for Astrophysics and Cosmology, Science Institute, University of Iceland, Reykjavík, Iceland & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Denmark), L. Hunt (Arcetri Astrophysical Observatory, INAF, Florence, Italy), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Denmark), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Germany), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Italy).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 16 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Ireland, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a Strategic Partner. 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 and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. Also at Paranal ESO will host and operate the Cherenkov Telescope Array South, the world’s largest and most sensitive gamma-ray observatory. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper 
• ESO Telescopes Observe First Light from Gravitational Wave Source
• Photos of the VLT

Contacts

Darach Watson
Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
Cell: +45 24 80 38 25
Email: darach@nbi.ku.dk

Camilla J. Hansen
Max Planck Institute for Astronomy
Heidelberg, Germany
Tel: +49 6221 528-358
Email: hansen@mpia.de

Jonatan Selsing
Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen
Copenhagen, Denmark
Cell: +45 61 71 43 46
Email: jselsing@nbi.ku.dk

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Email: pio@eso.org

Connect with ESO on social media