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- 머나먼 은하에서 온 번개, 감마선 폭발로 인한 잔광에 조준
- GRB 211106A의 경우 방출된 폭발 에너지의 일부가 주변 먼지구름에 흡수된 것
- 폭발의 여파로 방출된 X선은 감마선 폭발에서 감지된 것 중 가장 강력한 것
- 감마선 폭발과 그 잔광을 관찰은 불가사의한 초폭발을 연구할 수 있는 새로운 가능성

밀리미터 빛에서 최초로 중성자별 충돌 관찰
ALMA 망원경이 지금까지 가장 강력한 감마선 폭발 중 하나의 잔광을 보여준다.

천문학자들이 우주에서 가장 강력한 밀리미터파 폭발 중 하나인 중성자별과 동반성 간의 충돌을 처음으로 관찰했다. 그 결과 발생한 짧은 감마선 폭발은 지금까지 감지된 것 중 가장 강력했다. 연구원들은 장파 밀리미터 범위의 잔광을 분석함으로써 폭발의 기원과 에너지 분출의 폭을 결정할 수 있었고 이러한 사건에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있었다. 

▲ 먼 은하에서 중성자별이 다른 별과 충돌하여 지금까지 관찰된 것 중 가장 강력한 짧은 감마선 폭발 중 하나를 방출했다. © ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), M Weiss(NRAO/AUI/NSF)

감마선 폭발은 우주에서 가장 밝고 가장 에너지가 넘치는 폭발이다.
몇 초 만에 태양이 일생 방출하는 양만큼의 방사선을 방출할 수 있다. 몇 분까지 지속되는 긴 감마선 폭발은 아마도 초신성에 의해 발생하는 반면 짧은 폭발은 중성자별과 두 번째 별의 충돌로 인해 발생한다. 그들은 우리 우주의 무거운 요소가 형성되는 "공장"이다.

그러한 충돌에 의해 촉발된 폭발은 에너지 입자와 방사선의 집중된 분출을 생성한다. 이 움직이는 광선 다발 중 하나가 지구에 부딪히면 짧은 감마선 펄스를 생성하며 일반적으로 1/10초 정도 지속된다.

감마선 폭발로 인한 잔광 조준

최근 천문학자들은 그러한 짧은 감마선 폭발의 밀리미터파 잔광을 처음으로 포착했다. 제1저자인 네덜란드 Radboud 대학의 탄모이 라스카르(Tanmoy Laskar)는 "잔광에서 나오는 복사는 감마선 폭발이 발생한 은하계와 폭발이 일어난 과정을 알아내는 데 필수적이다"라고 설명했다. 특히 중요한 것은 제트(jet)와 주변 가스의 상호 작용으로 인해 발생하는 장파 복사 구성 요소다.

▲ ALMA 천문대에서 본 감마선 폭발 GRB 211106A의 밀리미터파 잔광. © ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), T Laskar(유타), S Dagnello(NRAO/AUI/NSF)

문제는 지금까지 천문학자들이 전파 범위에서 6개의 짧은 감마선 폭발을 관찰할 수 있었지만 사용 가능한 망원경은 밀리미터파에 성능이 너무 약하고 폭발이 너무 멀리 떨어져 있다는 것이다. 이제야 Atacama ALMA(Large Millimeter/submillimeter Array)의 고해상도와 감도 덕분에 이러한 중성자별 충돌의 밀리미터 방사선을 처음으로 포착할 수 있었다.

머나먼 은하에서 온 번개

감마선 폭발 GRB 211106A는 2021년 11월 6일 ESA의 Integral Gamma-ray Observatory에 의해 처음으로 탐지됐다. 그 후 천문학자들은 NASA의 Swift X-ray Telescope, Hubble Space Telescope 및 ALMA의 안테나를 포함해 수많은 다른 망원경을 소스로 지적했다. 허블 이미지는 후보 은하의 영역을 좁혔지만 밀리미터파 ALMA 데이터만이 폭발의 실제 위치와 특성을 드러냈다.

이에 따르면 이 중성자별 충돌은 z=0.7에서 1.4의 적색편이에 해당하는 거리에서 발생했다. 즉, 감마선 폭발은 우주가 현재 나이의 40%에 불과했을 때 발생했다. 공동 저자인 Northwestern University의 Wen-fai Fong은 "결과적으로 이 중성자별 충돌은 그것이 생성한 중력파를 감지하기에는 너무 멀리 떨어져 있었다. 이것은 현재 우리의 중력파 탐지기의 범위를 벗어났다"라고 말했다.

기록적인 에너지 방출

밀리미터파에서 파생된 정보가 더욱 중요했다. “밀리미터 방사선은 감마선 폭발 주변 환경의 밀도에 대해 무엇인가 알려줄 수 있다. 감마 및 X선 범위의 데이터와 결합하여 이를 사용해 폭발의 진정한 에너지를 결정할 수 있다"라고 Fong의 동료인 Genevieve Schroeder는 설명한다. GRB 211106A의 경우 방출된 폭발 에너지의 일부가 주변 먼지구름에 흡수된 것으로 보인다.

이것을 고려한다면 폭발은 정상적인 양의 에너지를 방출했음에 틀림없다. 천문학자들은 2 x 1050에서 6 x 1051 에르그 사이의 값을 결정했다"라고 Laskar와 그의 동료들은 말했다. 그리고 GRB 211106A의 잔광은 또한 몇 가지 최상급을 보여준다. 폭발의 여파로 방출된 X선은 그러한 감마선 폭발에서 감지된 것 중 가장 강력한 것으로 알려져 있으며, 이는 전파 방출에도 동일하게 적용된다.

가장 넓은 개방각을 가진 제트

밀리미터 복사는 또 다른 이유로 중요하다. "밀리미터와 전파는 제트의 개구각을 측정하는 데 필요한 정보를 제공했다"라고 공동 저자인 Northwestern University의 Alicia Rouco Escorial은 설명한다. "이것은 우주에서 짧은 감마선 폭발의 특성을 결정하고 이를 예를 들어 중성자별 충돌 및 중성자별 블랙홀 병합 속도와 비교하는 데 필수적이다.“

ALMA 데이터 분석에 따르면 GRB 211106A의 제트는 약 15.5도의 조리개 각도를 가지고 있다. 천문학자들은 "이것은 짧은 감마선 폭발에서 관찰된 가장 넓은 제트 확산 각도 중 하나"라고 보고했다. 그들의 데이터에서 그들은 ALMA가 미래에 연간 약 하나의 유사한 이벤트를 감지할 수 있다고 결론지었다. "이것은 무선 범위에서 짧은 감마선 폭발의 모든 이전 감지 속도를 능가한다"라고 팀은 말했다.

천문학 연구의 새로운 가능성

천문학자들은 방사선의 전체 스펙트럼에서 감마선 폭발과 그 잔광을 관찰하는 것이 여전히 불가사의한 초폭발을 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다고 믿는다. “이러한 관찰은 여러 면에서 환상적이다. 그것들은 우리에게 신비한 감마선 폭발과 중성자별 천체 물리학에 대한 일반적인 정보를 제공한다”라고 미국 국립 과학 재단의 Joe Pesce가 말했다.

새로운 James Webb 우주 망원경도 매우 중요하다.
"Webb 망원경으로 우리는 이제 그러한 폭발의 고향 은하의 광 스펙트럼을 분석할 수 있고 따라서 거리를 더 쉽게 결정할 수 있다"라고 Laskar는 설명한다. "JWST를 사용하여 적외선 잔광을 연구하여 화학적 구성에 대해 더 자세히 알아볼 수 있다.“
(The Astrophysical Journal Letters, Preprint, arXiv:2205.03419)
출처: 노스웨스턴대학교 국립전파천문대(NRAO)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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