CREDITS:NASA, ESA, F. Summers, J. Olmsted, L. Hustak, J. DePasquale, G. Bacon (STScI), N. Wolk (CfA), and R. Hurt (Caltech/IPAC)
동영상1> 이 동영상은 다파장으로 관측된 게성운을 3차원으로 시각화한 영상이다.
게성운은 1054년 폭발이 관측된 별폭발잔해의 아이콘과도 같은 천체이다.
이 동영상은 펄서라고 불리는,
빠르게 회전하는 붕괴된 별의 중심핵이 자리잡고 있는 성운의 중심을 들여다보고 있다.
이 자기발전기로부터 뿜어져나오는 격렬한 복사가 성운 전체를 밝게 빛나게 만든다.
이 동영상은 NASA의 3대 우주망원경인 찬드라X선망원경과 허블우주망원경,
스피처우주망원경의 관측 자료를 기반으로 제작되었다.
광범위한 파장에서 이 성운을 관측하면 그 복잡한 구조를 전체적인 관점으로 볼 수 있게 된다.
천문학자들과 NASA 우주학습프로그램(NASA's Universe of Learning program)의 시각화 기술자들이 NASA 산하 천문대에서 수집된 가시광선, 적외선, X선 관측 데이터를 이용하여 폭발한 별의 잔해인 게성운의 움직임을 3차원 영상으로 만들어냈다.
이 다파장컴퓨터그래픽영상은 찬드라X선 망원경 및 허블우주망원경, 스피처우주망원경의 데이터를 이용하여 만들어졌다.
약 4분에 달하는 이 영상은 이 죽은 별의 잔해를 구성하는 구조들의 세부를 낱낱이 보여주면서 보는 이들로 하여금 이 성운에 에너지를 공급하고 있는 극단적이면서 복잡한 물리적 과정을 이해하는데 도움을 주고 있다.
게성운 전체에 에너지를 공급하고 있는 엔진은 펄서이다.
펄서란 폭발한 별로부터 남은 초고밀도의 핵인 중성자별이 빠르게 회전하고 있는 천체를 말한다.
이 작은 발전기가 믿을 수 없는 정확한 주기로 맹렬한 진동파를 매초당 30회 뿜어내고 있다.
데이터의 시각화는 우주망원경과학연구소(the Space Telescope Science Institute, STScI), 캘테크/적외선처리및분석센터(IPAC), 하바드스미스소니언천체물리센터(the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, CfA)의 관련 팀에 의해 이루어졌다.
이 영상은 2020년 1월 5일 열린 전미천문학회에서 공개되었다.
플라네타리움에서도 상영가능하며 전세계 어디에서든 사용할 수 있다.
이번 영상을 개발한 팀의 책임자인 우주망원경과학연구소 시각화기술 과학자 프랭크 섬머스(Frank Summers)의 소감은 다음과 같다.
"대상을 2차원 사진으로 보는 것, 특히 게성운처럼 복잡한 구조를 갖춘 대상을 2차원 사진으로 보면, 대상이 가지고 있는 실제 입체적 특성에 대해서는 알 수 없습니다.
우리는 여기에 과학적 해석을 가미하여 사람들에게 게성운의 내부와 서로 뒤엉켜있는 기하학적 특성을 이해하도록 돕고 싶었습니다.
다양한 파장으로 이루어진 관측 결과를 조합함으로써 이러한 모든 구조들을 묘사할 수 있었습니다.
X선, 적외선, 가시광선을 조합하지 않았다면 우리는 전체 그림을 완벽하게 볼 수 없었을 것입니다."
성운 정 중앙의 펄서 엔진에 의해 만들어지고 추동된 몇몇 구조와 과정들은 특정 파장에서만 그 모습을 드러내곤 한다.
이 영상은 우선 게성운이 위치하는 주변을 보여주는 것에서 시작하여 황소자리에 있는 이 성운의 위치를 지목한다.
그리고 오늘날 허블우주망원경과 스피처우주망원경, 찬드라X선망원경이 바라본 게성운을 그 안에 서려 있는 구조들로 하나하나 묘사하면서 보여준다.
그리고 나서 천천히 3차원 X선 영상을 만들면서 펄서와 이를 둘러싼 고에너지 물질들로 만들어진 원반과 중성자별의 양 극에서 뿜어져나오는 제트를 보여준다.
이어서 등장하는 것은 펄서 시스템을 감싸고 있는 구름을 적외선으로 담아낸 것이다.
이 적외선 영상은 싱크로트론복사*에 의해 뿜어져나오는 빛을 포착하고 있다.
싱크로트론복사가 만들어내는 이 뚜렷한 형태는 고에너지 입자의 흐름이 자기장 근처에서 휘어질 때 발생한다.
마치 전체를 동물을 가둔 우리처럼 휘감고 있는 듯 보이는 이 껍데기는 이온화 산소를 품고 있는 촉수모양의 다발로 구성되어 있다.
펄서에 의해 추동된 입자의 쓰나미는 주변의 잔해구름들을 팽창시키면서 마치 짐승에 의해 덜거덕거리는 짐승우리와 같은 모습을 연출하고 있는 것이다.
영상의 끝부분에서는 X선과 적외선, 가시광선 모델이 모두 하나로 합쳐져 3차원 다파장 영상을 보여주고 다파장 2차원 영상에 대응 시킨다.
3차원 구조는 이 성운의 모습을 상상하기 위해 과학적으로 알려진 근사치 역할을 한다.
서머스의 설명은 다음과 같다.
"게성운 내부에 도사리고 있는 구조들을 3차원 영상으로 보면 대상의 진짜 구조를 추정할 수 있게 되죠.
이를 본 사람들이 완벽한 관념적 모델을 발전시키게 하기 위해 우리는 원반과 제트로부터 시작해서 이를 둘러싸고 있는 싱크로트론복사에 의해 만들어진 구름을 지나 전체를 둘러싸고 있는 가시광선으로 바라본 구조까지 각각을 따로따로 보여주는 방법을 선택했습니다."
이 구조들은 게성운을 특별한 천체로 만들어준다.
이 구조들은 이 성운이 예전 생각과 달리 전형적인 초신성잔해가 아니라 '펄서풍성운(pulsar wind nebula)'으로 분류되어야 할 천체임을 말해준다.
전통적인 초신성잔해는 초신성으로부터 몰아쳐 나오는 충격파와 잔해들로 구성되며 이 충격파가 주위를 수백만 도로 가열시키고 있다.
하지만 펄서풍성운의 내부는 비교적 온도가 낮은 가스로 구성되며 이 가스가 고에너지싱크로트론복사에 의해 수천 도로 가열된다.
서머스의 설명은 다음과 같다.
"다파장으로 바라본 구조를 통해 우리는 좀더 확실하게 펄서풍성운을 이해할 수 있습니다.
이것이 중요한 학습 목적이죠.
우리는 중심에 있는 펄서로부터 뿜어져나온 에너지가 싱크로트론 구름으로 이동하고, 여기서 더 나아가 가스다발들로 이동하는 것을 이해할 수 있습니다."
서머스와 우주망원경과학연구소 시각화팀은 IPAC에서 스피처 우주망원경의 사진들을 담당하는 시각화 수석 과학자 로버트 허트(Robert Hurt)와
찬드라X선 망원경의 사진들을 담당하는 찬드라X선 센터의 사진처리전문가 낸시 올크(Nancy Wolk)와 함께 작업하였다.
이들의 첫번째 작업은 게성운에 대한 과거 연구실적을 검토하는 것이었다.
이들은 1054년 중국 천문학자들에 의해 목격된 초신성 기록부터 시작하여 게성운을 꼼꼼히 연구하였다.
팀원들은 허블우주망원경과 스피처우주망원경, 찬드라X선망원경이 촬영한 2차원 사진에서 시작하여 전문가들과 함께 이 성운의 내부에 뒤엉켜 있는 구조들을 분석하였고, 각각의 요소들을 표현하는데 어떤 파장이 가장 효과적인지를 분석하였다.
대상의 3차원적 구성은 과학적 데이터와 지식, 직관적 통찰 및 각 구조들을 완결하기 위한 예술적 해석의 도움을 받았다.
시각화는 NASA 우주학습프로그램에서 지속적으로 발전될 새로운 시대의 산물이자 경험 중 하나이다.
이러한 노력은 NASA의 천체물리학 미션을 수행하는 과학과 과학자들을 과학에 근원적인 질문을 탐색하며 과학이 어떻게 진행되는지를 경험하고 자신들을 위한 우주를 발견하고자 하는 젊은이들과 가족들, 평생학습자들 등 이를 필요로 하는 청중들의 관심과 직접적인 연관관계를 맺도록 한다.
한편 이 동영상은 다파장 천문학의 위력을 보여주고 있다.
이를 통해 천문학자들이 어떻게 그리고 왜 전자기스펙트럼 상의 여러 파장에서 우리 우주를 탐색하고 배우려하는지 이해하게 될 것이다.
NASA의 우주학습프로그램의 자료들은 NASA가 캘테크 및 IPAC, 제트추진연구소, 하바드-스미스소니언천체물리학센터(CfA) 및 소노마주립대학이 함께 참여하고 있는 우주망원경과학연구소와 협력계약재정번호 NNX16AC65A하에 지원하는 작업들에 근거를 두고 있다.
CREDITS:NASA, ESA, J. DePasquale (STScI), and R. Hurt (Caltech/IPAC)
NASA'S GREAT OBSERVATORIES HELP ASTRONOMERS BUILD A 3D VISUALIZATION OF EXPLODED STAR
January 05, 2020 2:30PM (EST)Release ID: 2020-03
Astronomers and visualization specialists from the NASA's Universe of Learning program le, infrared, and X-ray vision of NASA's Great Observatories to create a three-dimensional representation of the dynamic Crab Nebula, the tattered remains of an exploded star.
The approximately four-minute video dissects the intricate nested structure that makes up this stellar corpse, giving viewers a better understanding of the extreme and complex physical processes powering the nebula. The powerhouse "engine" energizing the entire system is a pulsar, a rapidly spinning neutron star, the super-dense crushed core of the exploded star. The tiny dynamo is blasting out blistering pulses of radiation 30 times a second with unbelievable clockwork precision.
"Seeing two-dimensional images of an object, especially of a complex structure like the Crab Nebula, doesn't give you a good idea of its three-dimensional nature," explained STScI's visualization scientist Frank Summers, who led the team that developed the movie. "With this scientific interpretation, we want to help people understand the Crab Nebula's nested and interconnected geometry. The interplay of the multiwavelength observations illuminate all of these structures. Without combining X-ray, infrared, and visible light, you don't get the full picture."
Certain structures and processes, driven by the pulsar engine at the heart of the nebula, are best seen at particular wavelengths.
The movie begins by showing the Crab Nebula in context, pinpointing its location in the constellation Taurus. This view zooms in to present the Hubble, Spitzer, and Chandra images of the Crab Nebula, each highlighting one of the nested structures in the system. The video then begins a slow buildup of the three-dimensional X-ray structure, showing the pulsar and a ringed disk of energized material, and adding jets of particles firing off from opposite sides of the energetic dynamo.
Appearing next is a rotating infrared view of a cloud enveloping the pulsar system, and glowing from synchrotron radiation. This distinctive form of radiation occurs when streams of charged particles spiral around magnetic field lines. There is also infrared emission from dust and gas.
The visible-light outer shell of the Crab Nebula appears next. Looking like a cage around the entire system, this shell of glowing gas consists of tentacle-shaped filaments of ionized oxygen (oxygen missing one or more electrons). The tsunami of particles unleashed by the pulsar is pushing on this expanding debris cloud like an animal rattling its cage.
The X-ray, infrared, and visible-light models are combined at the end of the movie to reveal both a rotating three-dimensional multiwavelength view and the corresponding two-dimensional multiwavelength image of the Crab Nebula.
The three-dimensional structures serve as scientifically informed approximations for imagining the nebula. "The three-dimensional views of each nested structure give you an idea of its true dimensions," Summers said. "To enable viewers to develop a complete mental model, we wanted to show each structure separately, from the ringed disk and jets in stark relief, to the synchrotron radiation as a cloud around that, and then the visible light as a cage structure surrounding the entire system."
These nested structures are particular to the Crab Nebula. They reveal that the nebula is not a classic supernova remnant as once commonly thought. Instead, the system is better classified as a pulsar wind nebula. A traditional supernova remnant consists of a blast wave, and debris from the supernova that has been heated to millions of degrees. In a pulsar wind nebula, the system's inner region consists of lower-temperature gas that is heated up to thousands of degrees by the high-energy synchrotron radiation.
"It is truly via the multiwavelength structure that you can more cleanly comprehend that it's a pulsar wind nebula," Summers said. "This is an important learning objective. You can understand the energy from the pulsar at the core moving out to the synchrotron cloud, and then further out to the filaments of the cage."
Summers and the STScI visualization team worked with Robert Hurt, lead visualization scientist at IPAC, on the Spitzer images; and Nancy Wolk, imaging processing specialist at the Chandra X-ray Center at the CfA, on the Chandra images. Their initial step was reviewing past research on the Crab Nebula, an intensely studied object that formed from a supernova seen in 1054 by Chinese astronomers.
Starting with the two-dimensional Hubble, Spitzer, and Chandra images, the team worked with experts to analyze the complex nested structures comprising the nebula and identify the best wavelength to represent each component. The three-dimensional interpretation is guided by scientific data, knowledge, and intuition, with artistic features filling out the structures.
The visualization is one of a new generation of products and experiences being developed by the NASA's Universe of Learning program. The effort combines a direct connection to the science and scientists of NASA's Astrophysics missions with attention to audience needs to enable youth, families, and lifelong learners to explore fundamental questions in science, experience how science is done, and discover the universe for themselves.
This video demonstrates the power of multiwavelength astronomy. It helps audiences understand how and why astronomers use multiple regions of the electromagnetic spectrum to explore and learn about our universe.
NASA's Universe of Learning materials are based upon work supported by NASA under cooperative agreement award number NNX16AC65A to the Space Telescope Science Institute, working in partnership with Caltech/IPAC, Jet Propulsion Laboratory, CfA, and Sonoma State University.
