(3분 30초 읽기)
- 시민 과학프로젝트 'Einstein@Home'가 밝힌 거미 펄서(Spider pulsar)
- 수만 명의 자원봉사자가 제공하는 컴퓨터로 11년 만에 분석, 기존 컴퓨터로는 5백년 걸렸을 것.
- 최초로 발견된 레드백(Redback) 펄서

감마선 소스는 "블랙 위도우"로 밝혀졌다.
빠르게 회전하는 중성자별은 가벼운 동반자를 침식한다.

비밀 공개 :
천문학자들은 수년 동안 주기적이지만 약간 불규칙한 감마선 뒤에 무엇이 있는지 궁금증을 가졌다. 최근 시민 과학 프로젝트 Einstein@Home의 데이터는 특별한 유형의 펄서가 이 방사선을 생성한다는 것을 보여준다. 이 ‘거미spider’ 펄서는 점차 더 가벼운 동반 별을 침식시키고 불규칙한 열복사와 공간으로 찢어진 플라즈마가 감마 펄스를 왜곡시킨다. 

 

Einstein@Home은 물리연구기관들의 국제 과학 협력인 LIGO Scientific Collaboration에서 운영하는 자원 봉사 컴퓨팅 프로젝트다. 이것은 복잡한 데이터 분석 프로젝트로, 가장 시간이 많이 걸리는 부분은 활용도가 낮은 대중의 컴퓨터에서 실행된다. 이 프로젝트는 미국의 Laser Interferometer Gravitational wave Observatory와 독일 GEO600에서 수집한 데이터를 검색해 비정형 비대칭을 나타내는 펄서의 중력파 표시를 찾는다. 2009년 3월부터 Areci 망원경의 데이터에서 이중 전파 펄서도 검색되었다. 

또한, 페르미 감마선 우주 망원경의 데이터는 감마선을 방출하는 펄서에 대해 검색된다.(편집자 주)

 

▲ 컴펙트한 펄서 J2039-5617 (오른쪽)은 별의 동반자를 파괴한다. 이것은 동반자 별을 변형시키고 플라즈마를 우주로 찢는다. © Knispel, Clark / Max Planck Institute for Gravitational Physics / NASA / GSFC

그들은 블랙 위도우(black widow) 또는 레드백(redback)이라고 불린다.
이러한 펄스는 잡아먹는 거미처럼 동료를 파괴한다. 이 시스템은 빠르게 회전하는 중성자별, 소위 밀리 초 펄서로, 작고 정상적인 동반 별과 함께 이중 시스템을 형성하고 있다.
시간이 지남에 따라 이것은 강한 입자 바람과 펄서의 강렬하고 고에너지 복사에 의해 먼저 침식된 다음 완전히 증발한다.

플라즈마 줄무늬 뒤에 숨겨져 있음

문제는 이러한 ‘거미’ 펄서를 찾기가 쉽지 않다는 것이다.
천문학자들이 전파 망원경을 통한 고전적인 펄서 수색으로 찾은 것은 극소수 뿐이다.
그 이유는 "동반 별의 플라즈마는 궤도의 많은 부분에 걸쳐 밀리 초 펄서의 펄스를 모호하게 만들고 왜곡하고 산란시킬 수 있다"고 Jodrell Bank Center for Astrophysics와 그의 동료의 콜린 클라크(Colin Clark)는 설명했다.

결과적으로 펄서의 특징인 펄스의 규칙성이 누락된다.
이러한 경우 감마선 관찰은 교정 조치 및 추가 정보를 제공 할 수 있다.
이는 시스템의 정확한 궤도 매개 변수를 알고 있는 경우에 중성자별에서 나오는 이러한 극도로 짧은 파장의 펄스를 시스템에서 순환하는 플라즈마에도 불구하고 식별할 수 있기 때문이다.

Einstein@Home은 감마선 분석을 지원

2015년에 발견된 3FGL J2039.65618 감마선 소스가 실패한 것은 바로 이 시점이었다.
모든 것은 ‘거미’ 펄서가 이 현상 뒤에 숨어있을 수 있음을 나타낸다. 가시광선과 X-선에서 관찰한 결과 두 개의 서로 다른 피크와 5.5 시간의 동반자에 대한 가능한 왕복 시간이 있는 광 곡선이 나타났다. 그러나 천문학자들은 그 뒤에 있는 펄서를 명확하게 식별하는 데 성공하지 못했다.

이제 바뀌었다.
시민 과학 프로젝트 Einstein@Home 덕분이다. 수천 명의 자원 봉사자들이 제공한 컴퓨터의 컴퓨팅 능력 덕분에 연구원들은 NASA의 페르미 감마선 망원경에서 11년간의 관측 데이터를 평가하고 이 시스템에서 감마선 펄스의 패턴을 해독할 수 있었다.
컴퓨터를 사용하면 500년이 필요했을 것이다. Einstein@Home 덕분에 단지 두 달이 걸렸다.

하노버에 있는 Max Planck Institute for Gravitational Physics의 공동저자 라스 니더(Lars Nieder)는 "수만 명의 자원 봉사자들이 Einstein@Home에 제공한 컴퓨팅 성능을 통해서만 장막을 들어 올리고 감마선의 맥동을 발견할 수 있었다"고 말했다.

잡힌 "레드 백"펄서

새로운 데이터는 ‘거미’ 펄서가 실제로 시스템에 숨겨져 있음을 확인했다.
연구진은 "감마선 펄스로 인해 발견된 최초의 ‘레드 백 펄서’라고 말했다. 펄서는 초당 377회 회전하며 태양보다 약 1.2~1.6배 무겁다. 그러나 ‘거미 펄서의 일반적인 경우와 같이 동반자는 훨씬 가볍다. 무게는 태양 질량이 0.15~0.22에 불과하다.

가벼운 동반성 별이 펄서 J2039-5617을 공전하면서 강한 복사와 입자 바람이 점차적으로 그것을 증발시킨다. 쌍성계에서는 별에서 제거된 물질이 전파를 흡수하는 하전 입자 구름을 형성한다. 이것이 이전에 중성자별에서 발생하는 맥동 전파 방출에 대한 검색이 실패한 이유 중 하나다.

▲ 그림1. 감마선 타이밍 분석의 결과. 왼쪽 패널 : 원래 발견된 천체력으로 접은 후 광자 위상(일정한 궤도주기 포함). 각 점의 강도는 해당 광자에 대한 해당 확률 가중치를 나타낸다. MJD 55500 및 56800 주변에서 신호의 뚜렷한 손실은 다양한 궤도주기 때문이다. (출처:관련 논문 Einstein@Home discovery of the gamma-ray millisecond pulsar PSR J2039–5617 confirms its predicted redback nature)

동반자 별이 변형되고 고르지 않게 뜨겁다.

그러나 감마선 데이터는 이 시스템에 대해 더 많은 것을 보여준다.
"펄서는 가벼운 동반 별의 한쪽 면을 가열하여 더 밝고 푸른 빛을 띈다"고 Clark는 설명했다. 동반자는 펄서의 인력에 의해 변형되며 이는 별의 겉보기 크기가 궤도를 도는 동안 변동한다는 것을 의미한다.

별의 궤도도 시간이 지남에 따라 변한다. "우리는 동반자의 궤도주기가 11년 동안 약간 그리고 예측할 수 없을 정도로 변했다는 것을 발견했다"고 Nieder는 말했다.
약 10밀리 초의 이러한 궤도주기 변동은 별의 자기 활동으로 인해 발생할 수 있다. 그것은 플라즈마를 변형시키고, 이것은 차례로 별의 중력장을 변화시키고, 이는 차례로 펄서와 그 동반자의 궤도에 영향을 미친다.

더 많은 발견에 대한 희망

Max Planck 중력 물리학 연구소의 이사이자 Einstein@Home의 창립자이자 이사인 브루스 알렌(Bruce Allen)은 "우리는 Fermi 우주 망원경이 발견한 수십 개의 유사한 감마선 소스를 알고 있으며 그 정확한 신원은 아직 명확하지 않다"고 말한다. "많은 사람이 이중 시스템에 숨겨진 펄서일 수 있으며, 우리는 Einstein@Home을 사용하여 계속해서 검색할 것이다.”
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021; doi : 10.1093 / mnras / staa3484)

출처 : University of Manchester, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
맨체스터 대학교, 막스 플랑크 중력 물리학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]