초신성 SN 1987A의 폭발 장면

개인적으로 허블 사이트의 뉴스를 접하면서 가장 인상깊은 뉴스였던 이 내용은 초신성 폭발에 대한 뉴스로서

대상 천체는 SN 1987A로 명명된 초신성입니다.

이와 동일한 내용이 2007년 11월 18일 올린 "허블망원경을 통해 이룩한 과학적 발견 -8-"항목으로 간단하게 설명되어 있습니다.

과연 과학적 발견으로 꼽힐만한 내용인 듯 합니다.

 

초신성의 폭발을 이해하기 위해서는 별의 일생에 대한 지식이 선행되는게 좋습니다.

관련된 내용은 본 블로그 '코스모스' 폴더의 '구글SKY가 안내하는 별의 일생' 이나 '별의 일생과 초신성 폭발'이라는 게시글이 있으니 참조하시면 도움이 되실 겁니다.

 

별자리 : 황새치 자리(Dorado) 대마젤란성운

사진 설명 1> 20년 전 천문학자들은 400년 이상 밝은 폭발이 지속되고 있는 하나의 점을 발견했다.

발견이래 초신성 1987A로 명명된 이 최후를 맞고 있는 별은 천문학자들에게 환상적인 불꽃 쇼를 계속 제공해 주고 있다.

허블 우주망원경은 이 폭발의 여파를 계속 주시한 많은 관측기구들 중 하나이다.

이 이미지는 초신성 주위 전체 지역의 모습을 보여주고 있다.

가장 두드러진 구조물은 밝은 점으로 구성된 일련의 고리들이다.

별의 폭발로부터 발생한 물질들의 충격파가 고리모양으로 내부로부터 쓸려나오면서 주변의 가스와 잔해를 가열시켜 불타오르게 만들고 있는 것이다.

지름 일 광년에 달하는 이 고리는 폭발이 발생하기 2만년 전부터 분출되기 시작한 것으로 추측된다.

천문학자들이 밝은 점을 처음으로 관측한1997년에는 밝은 점이 많이 존재하지 않았지만, 지금은 고리주위로 수많은 밝은 점들이 보이고 있다.

현재로서는 허블 우주망원경으로만 이들 개개의 점들을 관측할 수 있다.

수년 내에 모든 고리들이 충격파를 흡수하면서 더 밝게 불타오르게 될 전망인데, 이렇게 되면 초신성의 주위를 좀더 환하게 밝히게 되어 폭발이전에 별을 구성한 물질들의 가속에 대한 새로운 정보들을 얻을 수 있을 것이다.

중앙에 보이는 분홍색 고리는 초신성의 폭발로부터 발생한 잔해들이다.

불타고 있는 잔해들은 주로 폭발로부터 발생한, 주로 티타늄 44라는 방사성 원소에 의해 가열되고 있다.

앞으로 수십년 동안 이들 잔해들은 계속 빛을 뿜어낼 것이다.

이보다 더 바깥쪽에, 윗쪽과 아랫쪽에 보이는 한쌍의 희미한 고리는 여전히 미스테리로 남아있다.

마치 자동차의 헤드라이트처럼 보이는 두 개의 밝은 천체는 대마젤란 성운에 속한 별들이다.

이 초신성은 대마젤란 성운 방향으로 16만 3천 광년 떨어진 곳에 존재한다.

이 사진은 허블의 ACS(Advanced Camera for Surveys)로 2006년 12월에 촬영된 것이다.

 

Full Story>

 

20년 전 천문학자들은 400년 이상 폭발이 지속되고 있는 밝은 별 하나를 발견했다.

1987년 2월 23일에 발견된 이후 몇 달동안 태양의 1억배 이상의 빛을 쏟아낸 이 거대한 초신성은 SN 1987A라고 명명되었다.

지난 20년동안 허블 및 여타 우주망원경, 그리고  다른 주요 천문대에서 관측되어 온 SN 1987A는 거대한 별들이 어떻게 일생을 마치는지에 대한 천문학자들의 지식에 중요한 전환점을 제공해 주었다.

거대한 별의 최후에 관하여 허블이 제공한 중요한 단서들을 통해 천문학자들은 허블의 고해상도 기능을 충분히 신뢰할 수 있게 되었다.

종말을 맞는 별에 대한 국제협력 연구를 이끌고 있는 메사추세츠주 캠브리지의 하바드 스미스소니안 천문학센터의 로버트 킬스너(Robert Kirshner)는 "허블의 고해상도 이미지 덕분에 초신성 SN 1987A에 대한 일체의 질문과 답변이 가능해졌습니다. 사실 허블이 없었다면 우리는 대답할 수 있는 것이 아무것도 없었을 것입니다."라고 말했다.

 

초신성 SN 1987A에 대한 연구는 별들이 폭발할 때 생성되어, 새로운 별이나 은하 심지어는 인간과 같은 생명체 탄생의 근원이 된 탄소나 철을 생성한다는 점에 있어서 중요한 연구이다.

 

단적인 예로 인간의 혈액에 포함되어 있는 철분은 초신성의 폭발로 인해 생성되는 것이다.

SN 1987A는 폭발할 때 지구 질량의 2만배에 달하는 방사성 철을 뿜어냈다.

 

폭발로 인해 발생한 파편의 핵은 여전히 불타오르고 있는데 이는 폭발로 인해 방사성 티타늄이 여전히 불타고 있기 때문이다.

 

이 별은 마젤란 성운에 16만 3천광년 떨어진 곳에 존재한다.

이 별이 폭발한 것은 실제로는 기원전 16만 1천년이며, 그 빛이 1987년에 지구에 도착한 것이다.

 

킬스너는 초신성을 관찰하는데 허블 망원경을 사용하곤 한다.

"허블관측을 통해 우리는 별의 최후에 대한 교과서를 다시 쓸 수 있게 되었습니다.

우리는 별의 최후가 상상했던것 보다는 훨씬 복잡하고 흥미진진하다는 것을 발견한 것입니다.

폭발로 인해 신비로운 삼중 고리 생겨났고, 또한 그 폭풍이 20년이 지난 지금 막 우리에게 관측되고 있습니다."

 

킬스너의 이어진 설명은 다음과 같다.
"SN 2987A가 발견되기 전에 천문학자들은 초신성의 단순한, 이상화된 모델만을 갖고 있었습니다.

우리는 초신성의 폭발은 항상 구형으로만 발생하는 것으로 생각했었습니다.

그리고 폭발이 일어나기 수천년 전부터 가스를 뿜어내리라고는 생각도 하지 못했죠.

SN 1987A의 파편들은 실제 젤리처럼 그 길이가 늘어나기도 했습니다.

그리고 지난 천년간 뿜어져 나온 가스들 속으로 새로운 폭발 충격파가 더 빠른 속도로 쓸려 들어갔죠.

누가 이런일을 상상이나 했겠습니까?"

 

1987년 처음 이 초신성을 발견했을 때 허블은 우주공간에 존재하지 않았다.

3년후 허블이 발사되었을 때, 허블을 이용하여 별의 폭발을 연구하는 학자들은 일체의 시간을 소비할 수 없었다.

폭발이 첫번째 피크를 이루던 1990년은 허블 망원경이 설치되던 해였다.

그 이후 허블 망원경은 수백장의 사진을 촬영했다.

그리고 허블을 통해 초신성에 대한 다음의 사실들이 발견되었다.

 

* 초신성 주위에는 지름 1광년에 달하는 원반으로 구성된 빛나는 고리가 있다.
- 이 고리는 최소 2만년 전에 별의 폭발로 인해 발생한 것이다.

- 고리의 가스로부터 폭발되어 나오는 X선은 20년동안 고리를 불타오르게 만들었다.

 

* 불타는 가스로부터 방출된 두 개의 외곽 고리들이 지상의 천문대에서 관측되었는데 허블을 통해 좀더 명확하게 관측할 수 있었다.

 

* 중앙에 아령모양의 구조물은 지금 1/10 광년 정도 길이까지 자라났다. 

- 초신성의 중심 부근에 파편으로 구성된 두 개의 방울모양 구조는 각각 시속 3200만 킬로미터의 속도로 퍼져나가고 있다.

 

* 별의 폭발로부터 발생한 충격파는 최후를 마친 별 주위의 고리내부지역을 쓸어내면서, 주변의 가스와 잔해를 뜨겁게 가열시킴과 동시에 눈부신 빛을 뿜어내고 있다.

 

허블은 고리를 통해 파괴되어 나가는 잔해들의 움직임을 계속 주시하였다.

이 불빛들은 마치 진주목걸이 모양의 고리 모양으로 타오르고 있다.

 

천문학자들은 모든 고리의 불빛이 몇년간 계속 될 것으로 생각하고 있다.

이 불타오르는 고리는 별의 주변을 충분히 관찰할 수 있을 정도로 더 밝아질 것으로 기대되며, 이렇게 될 경우 별의 폭발 직전에 별의 구성 성분들이 어떻게 발산되었는지에 대한 새로운 정보를 얻을 수 있을 것이다.

 

천문학자들은 폭발된 별의 주위에 존재하는 먼지와 주변부에 존재하는 별들이 어떤 운명을 맞게 될지를 이해하기 위해 스피처 우주망원경의 이미지를 분석하고 있다.

 

킬스너의 설명이 이어진다.

"우리는 별의 폭발로부터 발생한 충격파가 안쪽 고리로부터 바깥쪽 고리로 밀려나가면서 이들 주위를 환하게 비출때가 되면 더 많은 정보를 얻을 수 있을 것입니다.

또한 이를 통해 지난 2만년 동안의 별의 상태에 대한 단서를 얻을 수 있을 것입니다.

그러나 이 현상에서 여전히 많은 미스테리들이 남아 있습니다.

우리는 여전히 별이 폭발 직전에 어떤 단계로 진화했는지와 어떻게 이렇게 세 개의 고리가 형성되었는지를 이해하지 못하고 있습니다.

아마도 이 별은 연성계의 일부가 아니었을까 생각하고 있습니다."

천문학자들은 또한 이 곳에서 블랙홀이나 폭발 뒤 남은 중성자별의 증거를 찾고 있다.

거대한 질량을 가진 별의 불타는 종말은 일반적으로 이들과 같이 에너지가 왕성한 천체를 만들어 내기 때문이다.

대부분의 천문학자들은 중성자별이 20년 전에 형성되었을 것으로 생각하고 있다.

킬스너 역시 이러한 전체가 먼지들에 의해 차폐되어 불분명하게 남아 있거나 또는 블랙홀이 되었을 것이라고 추측하고 있는 것이다.

 

그는 별의 잔해를 찾아내기 위해 곧 설치될 새로운 관측기구인 광대역카메라3의 적외선 기능을 사용할 계획이다.

이때 같이 설치될 COS(the Cosmic Origins Spectrograph)*를 통해 과학자들은 초신성의 화학적 구성과 속도를 분석할 예정이다.

 

2013년에는 제임스 웹 우주 망원경(The James Webb Space Telescope)이 발사될 예정인데, 이를 통해 천문학자들은 오늘날 보고 있는 이들 고리보다 10배 정도 더 희미한 고리의 불빛까지 적외선으로 관측할 수 있게 된다.

고리의 내부에 남아 있는 파편잔해들이 곧 빛을 발하게 되면, 천문학자들은 폭발한 별의 내부 구조에 대해 연구할 수 있는 새로운 기회를 얻게 될 것이다.

* The Cosmic Origins Spectrograph(약어 : COS)는 STS-125 계획에 의해 2008년 8월 7일 허블 우주망원경에 탑재될 새로운 관측기구이다.
COS는 자외선(115-300nm) 분광관측기구이며 분해능은 2,000 또는 20,000 대역으로 구성되었다.
이 관측기구는 은하의 형성과 진화, 별의 생성과 행성계, 성간공간과 같은 우주의 거대한 구조물들에 대한 관측을 목표로 하고 있다. 

 

사진 설명2> 이 사진은 폭발한 별 주변에서 불타오르기 시작한 고리의 모습을 촬영한 것이다.

허블은 1990년 발사되자마자 이 폭발의 여파를 관측하기 시작했다.

고리의 밝은 점들은 폭발로부터 발생한 파편의 맹렬한 충격에 의해 생성되고 있는 것이다.

고리의 오른쪽 하단에 보이는 밝은 점은 앞쪽에 위치한 다른 별이다.

이 사진은 1994년부터 2006년 사이에 허블 광대역행성형카메라2(WFPC2)와 ACS에 의해 촬영된 것이다.

 

 

사진 설명 보강1 - 원문에 특별한 설명이 따로 기재되지 않아 제 설명을 추가합니다.

이 이미지는 초신성 SN 1987A의 평면적인 사진 이미지를 입체적으로 구성한 사진입니다.
우선 제일 상단의 평면 사진에서 밝은 고리의 위와 아래에 보이는 붉은 색의 희미한 고리가 Outer bipolar라는 단어로 설명되어 있습니다.
왼쪽 사진 중앙에 희미한 옅은 보라색으로 보이는 구조는 양쪽으로 팽창하고 있는 아령 모양의 파편으로 설명되어 있으며, 폭발의 정 중앙에는 블랙홀 또는 중성자 별이 위치하는 것으로 묘사되어 있습니다.

블랙홀 또는 중성자 별 주위에는 커다란 파편들이 있고, 그것보다 더 작은 파편들이 수평으로 그리고 위 아래로 퍼져 나가고 있는 모습입니다.

수평으로 퍼지고 있는 파편의 맹렬한 기세에 의해 왼쪽 사진에 보이는 밝고 선명한 점들이 형성되고 있습니다. 

 

사진 설명 보강2 - 각 Cut에 기술된 내용으로 기재하였습니다.

이 이미지는 초신성 SN 1987A가 현재 모습과 같이 보이는 이유를 하나의 가설로 재구성한 것입니다.
각각의 순서에 따른 설명은 다음과 같습니다.

1. 이 초신성은 원래 연성계(두 개의 항성이 서로에 대해 공전하는 별)*의 별이었는데 이 중에서 질량이 더 큰 별(왼쪽 밝은 별)이 먼저 수명을 다하게 됩니다.
2. 수명을 다한 큰 별은 적색 거성으로 진화하고 동반 별을 집어 삼키면서 각각의 별의 핵이 하나로 합쳐지기 시작합니다.

3. 적색 거성이 폭발을 시작하면서 그 원심력이 파편을 수평으로 쏟아내게 되고 두 별의 핵통합이 완료됩니다

4. 핵으로부터 발산되는 충격파가 수평으로 퍼진 적색거성의 파편들과 상호작용을 통해 양쪽 방향으로 원형 융기를 시작하고 적색거성의 파편들의 밀도가 높아집니다.
5. 초신성 폭발이 시작되면서 수평으로 퍼진 잔해들의 안쪽부터 불타오르기 시작합니다.

6. 별의 구성물질이 폭발되어 분출되고 있습니다.

7. 폭발되고 있는 별의 구성물질이 원판의 안쪽과 부딪히면서 부풀어오르기 시작합니다.

8. 원판디스크의 안쪽부터 충격에 의해 불타오르는 점들이 발생합니다.   

 

* 칼 세이건의 저서 '코스모스'에 보면 이러한 연성계의 별이 우주 공간에서 오히려 일반적으로 발견되는 별의 모습이라고 합니다.
우리 태양계의 경우에는 하나의 태양만이 존재하는데, 목성이 연성계로서 태양에 대한 나머지 하나의 별이 될 뻔 했다고 설명되어 있습니다.
지구에 대한 목성의 크기를 봤을 땐 언뜻 타당한 얘기처럼 들리지만,  태양에 대한 목성의 크기는 너무나도 작기 때문에 사실 칼 세이건의 언급은 가능성에 대한 언급 그 이상, 그 이하도 아닙니다.
태양계의 경우 역시 모종의 거대한 별이 최후를 맞으면서 생성된 것으로 추측되고 있는데 이 때 폭발 잔해의 99%이상이 태양을 구성하는데 할당되었고  나머지 1%만이 여타 행성과 소행성대(퀴퍼 벨트, 오르트 구름 등)를 구성하는데  할당된 것으로 추측되고 있습니다.

 

이 동영상은 1994년부터 촬영된 초신성 SN 1987A의 모습을 주위의 고리의 변화와 중심부 초신성의 변화로 나누어서 구성된 영상입니다.

허블 사이트에는 총 4개의 영상이 게시되어 있으나 연도가 존재하는 두 편 중 초신성 중심부를 확대한 하기 영상 하나만을 올립니다.

 

 

* '허블사이트'의 게시물들은  허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.

   본 내용은 2007년 2월 22일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 : 초신성 1987A를 비롯한 각종 초신성에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
       https://big-crunch.tistory.com/12346989

 

 

원문 :

사진 설명1>

Two decades ago, astronomers spotted one of the brightest exploding stars in more than 400 years.

Since that first sighting, the doomed star, called Supernova 1987A, has continued to fascinate astronomers with its spectacular light show. NASA's Hubble Space Telescope is one of many observatories that has been monitoring the blast's aftermath.

This image shows the entire region around the supernova. The most prominent feature in the image is a ring with dozens of bright spots. A shock wave of material unleashed by the stellar blast is slamming into regions along the ring's inner regions, heating them up, and causing them to glow. The ring, about a light-year across, was probably shed by the star about 20,000 years before it exploded.

Astronomers detected the first bright spot in 1997, but now they see dozens of spots around the ring. only Hubble can see the individual bright spots. In the next few years, the entire ring will be ablaze as it absorbs the full force of the crash. The glowing ring is expected to become bright enough to illuminate the star's surroundings, providing astronomers with new information on how the star expelled material before the explosion.

The pink object in the center of the ring is debris from the supernova blast. The glowing debris is being heated by radioactive elements, principally titanium 44, created in the explosion. The debris will continue to glow for many decades.

The origin of a pair of faint outer red rings, located above and below the doomed star, is a mystery. The two bright objects that look like car headlights are a pair of stars in the Large Magellanic Cloud. The supernova is located 163,000 light-years away in the Large Magellanic Cloud.

The image was taken in December 2006 with Hubble's Advanced Camera for Surveys.

Object Name: SN 1987A

Image Type: Astronomical

 

Full Story>

Twenty years ago, astronomers witnessed one of the brightest stellar explosions in more than 400 years. The titanic supernova, called SN 1987A, blazed with the power of 100 million suns for several months following its discovery on Feb. 23, 1987.

Observations of SN 1987A, made over the past 20 years by NASA's Hubble Space Telescope and many other major ground- and space-based telescopes, have significantly changed astronomers' views of how massive stars end their lives. Astronomers credit Hubble's sharp vision with yielding important clues about the massive star's demise.

"The sharp pictures from the Hubble telescope help us ask and answer new questions about Supernova 1987A," said Robert Kirshner, of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass. "In fact, without Hubble we wouldn't even know what to ask."

Kirshner is the lead investigator of an international collaboration to study the doomed star. Studying supernovae like SN 1987A is important because the exploding stars create elements, such as carbon and iron, that make up new stars, galaxies, and even humans. The iron in a person's blood, for example, was manufactured in supernova explosions. SN 1987A ejected 20,000 Earth masses of radioactive iron. The core of the shredded star is now glowing because of radioactive titanium that was cooked up in the explosion.

The star is 163,000 light-years away in the Large Magellanic Cloud. It actually blew up about 161,000 B.C., but its light arrived here in 1987.

Kirshner has used the Hubble telescope to monitor the supernova. "The Hubble observations have helped us rewrite the textbooks on exploding stars. We found that the actual world is more complicated and interesting than anyone dared to imagine. There are mysterious triple rings of glowing gas and powerful blasts sent out from the explosion that are just having an impact now, 20 years later."

Before SN 1987A, astronomers had a "simplified, idealized model of a supernova," Kirshner explained. "We thought the explosions were spherical and we didn't think much about the gas a star would exhale in the thousands of years before it exploded. The actual shreds of the star in SN 1987A are elongated ? more like a jellybean than a gumball, and the fastest-moving debris is slamming into the gas that was already out there from previous millennia. Who would have guessed?"

Hubble wasn't even around when astronomers first spotted the supernova in 1987. When Hubble was launched three years later, astronomers didn't waste any time in using the telescope to study the stellar blast. Its first peek was in 1990, the year the observatory launched. Since then, the telescope has taken hundreds of pictures of the doomed star.

The Hubble studies have revealed the following details about the supernova:

*A glowing ring, about a light-year in diameter, around the supernova. The ring was there at least 20,000 years before the star exploded. X-rays from the explosion energized the gas in the ring, making it glow for two decades.

*Two outer loops of glowing gas, which had been imaged by ground-based telescopes, were seen more clearly by Hubble.

*A dumbbell-shaped central structure that has now grown to one-tenth of a light-year long. The structure consists of two blobs of debris in the center of the supernova racing away from each other at roughly 20 million miles an hour.

*The onrushing stellar shock wave from the stellar explosion is slamming into, heating up, and illuminating the inner regions of the narrow ring surrounding the doomed star.

Hubble continues to watch as the blast debris moves through the ring. The light show makes the glowing ring look like a pearl necklace. Astronomers think the whole ring will be illuminated in a few years.

The glowing ring is expected to become bright enough to illuminate the star's surroundings, which will provide astronomers with new information on how the star ejected material before the explosion.

Astronomers are analyzing images by NASA's Spitzer Space Telescope to try to understand the fate of the dust that surrounds the exploded star and in the neighborhood around the blast.

"We will learn more in the future when the shock wave moves through the inner ring and slams into the outer rings and illuminates them," Kirshner said. "It could lead to clues about the last 20,000 years of the star. But there are many things that are still a mystery. We still do not understand the evolution of the star before the explosion or how the three rings formed. We also think that the star may be part of a binary system."

Astronomers also are still looking for evidence of a black hole or a neutron star left behind by the blast. The fiery death of massive stars usually creates these energetic objects. Most astronomers think a neutron star formed 20 years ago. Kirshner said the object could be obscured by dust or it could have become a black hole.

He plans to use the infrared capabilities of the Wide Field Camera 3 ? an instrument scheduled to be installed during the upcoming Hubble servicing mission ? to hunt for a stellar remnant. Scientists will use another instrument planned for installment during the mission, the Cosmic Origins Spectrograph, to analyze the supernova's chemical composition and velocities.

The James Webb Space Telescope, scheduled for launch in 2013, will be able to see infrared light from the ring that is 10 times fainter than what astronomers see today. The debris inside the ring will begin to brighten, and astronomers will get another chance to study the interior of an exploded star.

CONTACT

Donna Weaver/Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore
410-338-4493/4514

Robert Kirshner
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass.
617-495-7519; rkirshner@cfa.harvard.edu

 

사진 설명2>

This photo album of images from NASA's Hubble Space Telescope shows a ring of gas beginning to glow around an exploded star.

The stellar blast, called Supernova 1987A, was first spotted 20 years ago. The explosion is one of the brightest supernova blasts in more than 400 years. Hubble began watching the blast's aftermath shortly after it was launched in 1990.

The growing number of bright spots on the ring was produced by an onslaught of material unleashed by the blast. The shock wave of material is slamming into the ring's innermost regions, heating them up, and causing them to glow. The ring, about a light-year across, was probably shed by the star about 20,000 years before the star exploded.

Astronomers detected the first bright spot in 1997, but now they see dozens of spots around the ring. only Hubble can see the individual bright spots. In the next few years, the entire ring will be ablaze as it absorbs the full force of the crash. The glowing ring is expected to become bright enough to illuminate the star's surroundings, providing astronomers with new information on how the star expelled material before the explosion.

The bright spot that appears to be on the ring at lower right is actually a foreground star. Supernova 1987A is 163,000 light-years away in the Large Magellanic Cloud.

The images were taken between 1994 and 2006 with Hubble's Wide Field Planetary Camera 2 and Advanced Camera for Surveys.

Object Name: SN 1987A

Image Type: Astronomical