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- 블레이자(Blazar)에서 최초의 X선 편광계
- X-선 편광은 우주에서 가장 강력한 방사선원 뒤에 있는 메커니즘을 밝힌다.

퀘이사가 빛을 생성하는 방법
X-선 편광은 우주에서 가장 강력한 방사선원 뒤에 있는 메커니즘을 밝힌다.

우주 비콘:
천문학자들은 퀘이사가 수십억 광년에 걸쳐 강렬한 복사를 생성하는 방법을 발견했다. 이 복사의 가장 높은 에너지 부분은 이러한 블랙홀에 의해 가속된 입자가 충격 전선을 만나 급격하게 감속될 때 발생한다. 이것은 주로 X선 범위에서 싱크로트론 방사선을 방출한다. 연구자들이 "네이처(Nature)"에 보고한 바와 같이 나중에야 다른 장파 복사 성분이 발생한다. 

▲ 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체다. 그러나 제트기에서 엄청난 방사능 강도를 생성하는 방법은 이전에는 명확하지 않았다. ©NASA/JPL

퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체다. 이 활성 은하 중심에서 나오는 강렬한 복사 원뿔은 수백조 개의 태양만큼 밝게 빛날 수 있으며 우주로 수 십억 광년에 도달할 수 있다. 이 거대한 빛의 근원은 먼 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀이다. 블랙홀은 많은 양의 물질을 빨아들이고 가속 입자와 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 복사 및 입자 제트가 지구를 직접 가리키는 퀘이사는 블레이자라고도 한다.

쇼크 프론트 또는 난기류?

퀘이사의 방사능이 어떻게 발생하는지는 지금까지 대체로 불분명했다. 관찰과 모델은 고도로 가속된 입자의 거대한 분출이 고에너지 방출의 원인임을 시사한다. 입자 가속기 또는 X선 레이저의 싱크로트론 시스템과 유사하게 이러한 입자는 감속되거나 편향될 경우 과도한 에너지를 방사선으로 방출할 수 있다.

어떤 메커니즘에 의해 퀘이사 제트의 빠른 입자가 느려지는지(충격 전선에서 갑자기 발생하는지 아니면 난기류에서 제트에 분산되는지)는 불분명했다. 이것은 무엇보다도 방사선의 편광에 의해 구별될 수 있다. 퀘이사로부터의 방사선이 더 많이 향할수록 제트의 소스는 더 집중되고 균일해야 한다.

그러나 문제는 지금까지 퀘이사 복사의 편광이 라디오파와 광학적 빛의 범위에서만 측정될 수 있었다는 것이다. 이러한 측정은 고에너지 X선에는 사용할 수 없었다. 

▲ 그림 1: Mrk 501의 IXPE 관측. a, 2-8keV 대역에서 2022년 3월 8-10일 관측 동안 Mrk 501의 IXPE 이미지. 색상 막대는 픽셀당 X선 광자 수를 나타낸다. b, 정규화된 Stokes Q/I 및 Stokes U/I 매개변수, 여기서 I는 두 IXPE 관찰의 총 강도이다. 노란색 및 청록색 음영 영역은 각각 3월 8-10일 및 3월 26-28일 관측에 대한 편광 각도의 불확실성(68% 신뢰 구간(CI))을 나타낸다. 검정색 점선은 제트 방향을 나타내고 자홍색 음영 영역은 불확실성(68% CI)을 나타낸다. 점선 원은 표시된 대로 다양한 수준의 편광 정도를 표시한다. 오차 막대는 68% CI를 나타낸다. (출처: 관련논문 Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks)

블레이자(Blazar)에서 최초의 X선 편광계

이제 상황이 바뀌었다. 2021년 12월, 우주 X선의 편광을 처음으로 측정할 수 있는 새로운 우주 망원경이 발사되었다. 따라서 IXPE7(Imaging X-ray Polarimetry Explorer)은 이전에 가능했던 것보다 퀘이사의 방출 영역에 대한 더 완전한 그림을 제공할 수 있다.

연구를 위해 천문학자들은 IXPE7 위성을 사용해 Markarian 501 blazar에서 나오는 방사선을 분석했다. 이 활동적인 은하의 중심은 우리로부터 약 4억 5천만 광년 떨어져 있으며, 따라서 이 은하의 방사능은 특히 강렬해 보이며 쉽게 측정할 수 있다. 따라서 이제 2022년 3월에 X선 편광계로 검사할 첫 블레자이다. 동시에 수많은 다른 관측소에서 이 퀘이사의 나머지 파장의 방사선을 포착했다.

▲ 퀘이사 제트 내에서 가속된 입자가 충격파면에 부딪히면 급격하게 감속하면서 고에너지 X선을 방출한다. 그들이 날아갈 때 그들은 더 낮은 에너지의 방사선을 생성한다. © Pablo Garcia/ NASA/MSFC

엑스레이 및 기타 방사선 소스가 다름

측정 결과는 다음과 같다. 스펙트럼의 낮은 에너지 범위에서 퀘이사로부터의 복사는 열악하고 고르지 않게 편광된다. 그러나 이것은 고에너지 X선 범위에서 다르다. Liodakis와 그의 팀이 보고한 것처럼 편광계는 10% 이상의 편광도와 퀘이사 제트의 방향에 해당하는 각도를 기록했다.

따라서 이 데이터는 이 X선 방사의 기원에 대한 중요한 정보를 제공한다. "이것은 입자 가속의 원인으로 충격 전선을 나타낸다"고 연구자들은 설명했다. 이에 따르면 이 고에너지 방사선은 블랙홀의 자기장에 의해 가속된 제트 내의 입자가 더 느린 입자 영역과 충돌하기 때문에 방출된다. 이 충격 전선에서 그들은 갑자기 속도를 늦추고 X-레이를 방출한다.

퀘이사 제트의 충격전선 뒤에서 입자는 계속 경주하지만 에너지를 잃었다. "그 결과, 그들은 이제 이 구역에서 멀어짐에 따라 더 긴 파장의 방사선을 방출한다"고 Liodakis와 그의 동료들은 말했다. 이 저에너지 방사선의 불균일한 편극화로부터 제트가 이 지역에서 점점 더 난류가 되고 있다는 결론을 내렸다.

"블레이자에 대한 이해의 전환점“

처음으로 천문학자들은 우주에서 가장 밝은 복사원 뒤에 있는 메커니즘에 대한 통찰력을 얻었다. 리오다키스(Liodakis)와 그의 팀은 "우리의 결과는 다중 파장 편광계가 초대형 블랙홀 주변의 물리적 조건을 고유하게 탐색할 수 있음을 보여준다"고 말했다. IXPE 및 기타 장비의 추가 측정 데이터는 향후 이러한 프로세스에 대한 더 자세한 정보를 나타낼 수 있다.

이 연구에 참여하지 않은 예일 대학교의 천체물리학자 레아 마르코툴리(Lea Marcotulli)도 이 결과를 중요한 돌파구로 보고 있다. "그것들은 블레이저에 대한 우리의 이해에 전환점이 되었다. 이것은 이러한 극단적인 입자 가속기를 이해하려는 우리의 시도에서 큰 도약이다."
X선 편광측정법은 이제 메커니즘이 모든 퀘이사에서 동일한지 여부와 제트기에서 다른 입자(전자와 양성자)가 어떤 역할을 하는지를 명확히 할 수 있다. 그들은 빔 생성을 재생한다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05338-0)
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05338-0
출처: nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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