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GW170817 : 사상최초로 중력파로부터 빛을 감지해내다|

  • 이강민
  • |조회수 : 936
  • |추천수 : 0
  • |2017-10-18 오후 10:14:02

Credits NASA and ESA 

Acknowledgment: A. Levan (U. Warwick), N. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)

사진 1> 중성자별의 충돌이 특이한 원소들과 중력파를 요리해내다.

         사람들은 주방에서 맛있는 요리를 만든다. 하지만 주방을 벗어날 때면 여기저기 널린 음식들과 

         설거지 해야 할 그릇들이 남는다.

         우주의 조리실 역시 이처럼 혼란스럽다. 

         별들은 핵에서 철만큼이나 무거운 화학원소들을 만들어낼 수 있지만 좀더 무거운 원소들을 만들기

         위해서는 별의 폭발이나 중성자 별의 충돌과 같은 좀더 강력한 사건을 필요로 한다.

         중성자별의 충돌은 황금이나 플루토늄, 그리고 다양한 원소들을 만들어낼 수 있다.

         이론적으로 중성자별들이 서로 나선형으로 접근하다가 충돌하기 직전 맹렬한 속도까지 올라가게

         되면 중력파도 만들어낼 수도 있다.

         중성자별의 충돌로부터 발생한 중력파가 지난 2017년 8월 17일 사상 처음으로 관측되었다.

         이번에 탐지된 중력파는 예전에 탐지된 중력파와는 달리 빛을 수반하고 있었고 이를 통해 천문학자

         들이 중력파를 만들어낸 천체의 위치를 특정할 수 있었다.

         허블우주망원경은 이 거대한 충돌로부터 발생한 빛을 촬영하였다. 

         이 빛은 지구로부터 1억 3천만광년 거리에 위치한 NGC 4993이라는 은하에서 발생하였다.

         허블우주망원경은 또한 특이한 방사성 원소의 흔적을 추적할 수 있는 적외선 분광 데이터도 

         취득하였다.

         NGC 4993은 중력파가 발견되고 바로 며칠 후 태양 뒤편으로 들어간 상태이다 

         천문학자들은 이 은하가  태양 뒤편을 돌아나올 때까지 허블우주망원경이 획득한 데이터를 이용한

         분석을 계속할 것이다.

 

         2017년 8월 17일 라이고가 중성자별의 충돌로부터 발생한 중력파를 감지해냈다.

         이로부터 12시간 내에 많은 천문대와 우주망원경들이 중성자별의 충돌이 NGC 4993 은하에서 

         발생했음을 알게 되었다. 

         이 사진은 킬로노바(Kilonova)라 불리는 별의 섬광이 발생한 지역을 촬영한 허블우주망원경의 

         사진이다.

         허블우주망원경이 관측을 진행한 6일 동안 킬로노바의 빛은 점점 사그라져갔다. 

         그 모습이 8월 22일, 26일, 28일에 촬영된 작은 네모 사진에 담겨있다.

         

         

Credits NASA and ESA 

Acknowledgment: A. Levan (U. Warwick), N. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)

사진 2> NGC 4993은하는 지구로부터 1억 3천만 광년 거리에 위치하고 있다.

         2017년 8월 17일 라이고가 이 은하내에 있는 중성자별의 충돌로부터 발생한 중력파를 감지해냈다.

         이번 사건으로 킬로노바라 불리는 별의 섬광이 발생하였으며 허블우주망원경이 촬영한 사진에서

         이 불꽃은 은하중심에서 상단 왼쪽에서 포착되었다.



NASA의 과학자들이 사상 처음으로 중력파와 관련이 있는 빛을 포착해냈다. 

두 개 중성자별의 충돌이 발생한 NGC 4993에 감사를 하지 않을 수 없다. 

이 은하는 바다뱀자리 방향으로 지구로부터 1억 3천만 광년 거리에 위치하고 있다.


한국시간 기준 2017년 8월 17일 저녁 9시 41분 NASA 페르미 감마선우주망원경은 강력한 폭발로부터 발생한 고에너지 발광 펄서를 포착해냈고, 

이 사실은 즉시 '짧은감마선폭발' 사건으로 전세계 천문학자들에게 보고되었다.


미국 국립과학재단의 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 즉, 라이고(LIGO)는 감마선폭발과 관련이 있는 한 쌍의 충돌 별들로부터 GW170817 이라고 명명된 중력파를 감지해냈으며 천문학자들이 이 폭발의 여파를 즉각 찾아낼 수 있게 해 주었다.


바로 얼마 후 이 폭발은 유럽우주국(ESA)의 인테그럴(INTEGRAL : 국제감마선천체물리학연구소 INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) 위성에 의해 후속 분석의 일환으로 감지되었다.

곧이어 NASA의 스위프트위성과 허블우주망원경, 찬드라X선 망원경 및 스피처 적외선 망원경은 물론 NASA가 기금을 지원하는 판스타스 관측을 포함한 지상에 위치한 일련의 천문대에서 이 폭발로부터 뿜어져나온 잔해들이 잦아들어가며 만들어내는 빛을 포착해냈다.


NASA의 워싱턴 본부 천체물리학국의 국장인 폴 허츠( Paul Hertz)의 소감은 다음과 같다.

"이건 정말이지 매우 놀라운 과학입니다. 

 우리는 이번에 동일한 사건이 만들어낸 빛과 중력파를 사상 처음으로 함께 관측해낼 수 있었죠. 

 중력파의 근원에서 뿜어져나온 빛을 감지한다는 것은 중력파 자체만으로는 결정할 수 없는 사건의 세부를

 밝혀주는 단서를 얻게 되었다는 것을 의미합니다.

 여러 관측 천문대들과 함께 연구를 하며 만들어내는 파급 효과는 정말 엄청난 것이죠."

 

산산조각이 난 중성자 별은 원래는 오래전 큰빛새별 폭발을 통해 남겨진 무거운 별의 핵이었다.

이 별들의 질량은 태양 대비 1.1배에서 1.6배의 질량을 가지고 있었으나 그 크기는 미국의 수도인 워싱턴 D.C 보다도 크지 않았을 것으로 추정된다.


이 한쌍의 중성자 별들은 매초마다 수백번씩 서로를 공전하면서 동일한 진폭의 중력파를 만들어내고 있었다.


이들이 서로 점점 가까워지고 속도도 빨라지면서 결국 충돌로 산산조각이 났고 이로부터 감마선 폭발과 이른바 "킬로노바"라 불리는 매우 드물게 관측되는 섬광을 만들어냈다.


라이고 연구소의 사무총장인 데이비드 라이츠(David Reitze)의 설명은 다음과 같다. 

"이번 사건은 우리 모두가 기다려왔던 사건입니다.

 중성자별들의 충돌은 폭넓은 다양한 파장의 빛을 만들어냅니다. 

 이 천체가 충돌할 때, 뜨겁게 가열된 파편들의 소용돌이를 형성하기 때문이죠.

 예전에 라이고와 유럽의 협력관측소인 비르고(Virgo)에서 관측한 바 있는 블랙홀간의 충돌은 충돌하기 

 전에 오랫동안 그 주변의 물질을 모두 삼켜버리는 것 같습니다.

 그래서 이번에 관측된 것과 같은 빛을 블랙홀의 충돌에서는 기대할 수 없죠."

 

NASA 고다드우주비행센터의 페르미감마선폭발 모니터링 팀의 일원인 에릭 번스(Eric Burns)의 설명은 다음과 같다.

"짧은감마선폭발에 대한 가장 그럴듯한 설명은 이들이 두 개 중성자별 또는 중성자별 하나와 블랙홀 간의

 충돌로부터 발생한 잔해들이 거의 빛의 속도에 육박하는 속도로 움직이면서 형성된 제트라고 설명하고 

 있습니다.

 라이고는 고밀도 천체의 충돌이 있었음을 말해주고 있고, 페르미는 짧은감마선폭발이 있었음을 말해주고

 있죠.

 이 두 개 관측 결과를 종합하면 이곳에서 두 개의 중성자별이 충돌했다는 것을 알 수 있게 되죠. 

 그 상관관계를 드라마틱하게 확정한 경우라고 할 수 있습니다."

 

페르미 위성의 최초 관측이 있은 후 수시간 내에 라이고와 이탈리아 피사 부근 유럽중력파천문대에 위치한 비르고 중력파 탐사기는 이 사건이 발생한 지점을 매우 정확하게 포착해 냈고, 중력파 데이터에 대한 추가 분석을 할 수 있었다.


지상에 위치한 여러 천문대들은 재빨리 이곳을 겨냥하여 가시광선 및 적외선에서 나타난 새로운 발광원인 킬로노바를 NGC 4993에서 찾아냈다.


페르미위성은 이번 현상을 전형적인 짧은감마선폭발로 관측하였다. 

하지만 이 사건은 지금까지 알려진 다른 짧은감마선폭발에 비해 그 거리가 10분의 1도 채 되지 않아 가장 희미한 짧은감마선폭발 중 하나로 기록되었다.


천문학자들은 이 폭발이 왜 이렇게 특이한 유형으로 나타났는지, 이번 폭발이 훨씬 더 먼 곳에서 발생하면서도 훨씬 더 밝은 빛을 뿜어내는 감마선 폭발과 어떤 연관성이 있는지를 알아내기 위한 연구를 계속하고 있다.


NASA 스위프트위성과 허블우주망원경, 스피처우주망원경은 비교적 느리게 움직이는 물질의 조성을 보다 제대로 이해하기 위해 킬로노바의 진화양상을 계속 추적하고 있다.


스위프트 위성은 페르미 위성이 감마선 폭발을 감지하고 바로 뒤 NGC 4993을 향해 방향을 돌렸을 때, 매우 밝으면서도 빠르게 사그라드는 자외선원을 찾아냈다.


고다드우주비행센터 스위프트위성 수석연구원인 브래들리 센코(Bradley Cenko)의 소감은 다음과 같다.

"우리는 자외선에서 빛을 내는 킬로노바를 발견할 것이라고는 생각지도 못했습니다. 

 처음에는 감마선 폭발에 의해 에너지를 공급받아 아주 짧은 시간동안 만들어진 파편 원반이 자외선을 

 쏟아내는 것이라고 생각했었죠."


어느 정도 시간이 지난 후 제트에 의해 천천히 그리고 폭넓게 밀려나온 물질들이 별사이우주공간의 물질들을 쓸어내고 가열시키면서 X선을 포함한 이른바 후광복사(afterglow emission)를 만들어냈다.

하지만 스위프트 위성은 일체의 X선을 관측해내지 못했는데 고에너지 감마선을 뿜어내는 이와 같은 사건으로서는 매우 놀라운 결과였다.


그리고 이로부터 9일이 지난 후 NASA 찬드라 X선 망원경이 X선을 확실하게 감지해냈다.


과학자들은 이러한 지연 현상이 우리가 바라보는 시선 각도 때문에 발생한 것으로 생각하고 있다. 

지구를 향해 오는 제트가 우리의 시선에까지 닿을 정도로 확장되는데는 시간이 더 걸렸을 것으로 판단하고 있는 것이다.


찬드라 연구팀의 책임자이자 이번 X선 복사를 찾아낸 고다드우주비행센터 엘레노라 트로자(Eleonora Troja)의 설명은 다음과 같다.

"X선의 감지가 말해주는 것은 중성자별의 충돌로부터 거의 광속에 육박하는 강력한 제트가 형성되었다는 

 사실입니다. 

 이것을 감지하기 위해서 우리는 9일을 기다려야 했죠. 

 우리가 이 현상을 바라보는 위치는 예전의 관측과는 달리 제트의 측면이기 때문입니다."

 

2017년 8월 22일 허블우주망원경은 킬로노바 관측 및 근적외선 스펙트럼을 담기 시작하였다. 

이 관측자료는 팽창하는 파편의 운동양상과 화학적 조성에 대한 정보를 담고 있다.


허블스펙트럼 관측 제안을 이끈 영국 워릭대학교, 엔드류 레반(Andrew Levan)의 설명은 다음과 같다.

"이 스펙트럼은 두 개 중성자별이 충돌할 경우에 대해 이론물리학자들이 예견해왔던 현상과 정확히 

 맞아떨어지는 양상을 보여주고 있습니다.

 이 스펙트럼은 의심의 여지없이 중력파를 만들어낸 천체들과 연관되어 있습니다."


천문학자들은 주로 중성자가 풍부하게 들어찬 잔해 내에 형성된 방사성 원소들이 붕괴되면서 그 열에 의해 킬로노바의 가시광선과 적외선이 발생한다고 생각하고 있다.


중성자 별의 충돌은 플레티넘과 황금을 비롯하여 우주에 존재하는 무거운 원소들을 만들어내는 주요 사건일지도 모른다.


다른 망원경들의 경우 NGC 4993이 태양과 너무 가까워 관측이 어려웠음에 반해 스피처 우주망원경은 지구를 따라도는 궤도로 인해서 오랫동안 이 킬로노바를 관측할 수 있었다.


2017년 9월 30일 스피처 우주망원경은 킬로노바에서 가장 긴 적외선 파장을 관측해냈는데 이 파장은 이번 폭발로부터 만들어진 무거운 원소들의 양을 가늠할 수 있는 정보를 담고 있었다. 


스피처관측프로그램의 수석연구원이자 칼텍 부교수인 맨시 카슬리왈 (Mansi Kasliwal)은 비록 스피처우주망원경이 이번 파티에 늦게 참여했지만 이번 사건으로부터 얼마나 많은 황금이 벼려졌는지를 말해줄 수 있을 것이라고 말했다.


이번 관측을 관찰하고 해석한 여러 논문들이 제출되었으며 이 논문들은 사이언스 및 네이처, 피지컬리뷰 및 아스트로노미컬저널 등에 개재되었다.


중력파가 처음으로 직접 관측된 것은 2015년 라이고에 의해서이다. 

라이고의 건축 및 설계책임자들은 중력파의 발견에 힘입어 2017년 노벨물리학상을 수상하였다.



부록뉴스 : 허블우주망원경이 중력파의 원천이 되는 천체를 연구하고 있다. 


2017년 8월 17일 중력파로 알려져 있는 시공간의 미약한 요동이 지구를 휩쓸고 지나갔다.

이번에 탐지된 중력파는 예전에 탐지된 중력파와는 달리 빛을 수반하고 있었고 이를 통해 천문학자들이 중력파를 만들어낸 천체가 있는 위치를 특정할 수 있었다.


허블우주망원경은 그 강력한 성능을 이용하여 이 빛을 관측하였으며 이로부터 사진 및 분광데이터를 얻을 수 있었다.


이번 관측결과는 중력파를 만들어낸 거대한 충돌과 그 여파에 대한 세부 내용을 알려주게 될 것이다.


라이고가 이 중력파를 탐지한 것은 한국시간 기준 8월 17일 저녁 9시 41분이었다.

그리고 2초 후 NASA 페르미감마선우주망원경이 감마선폭발이라고 알려진 짧은 감마선 펄서를 측정해냈다.


이후 여러 우주망원경들을 비롯한 많은 천문대의 망원경들이 이 사건이 발생한 위치로 추정되는 곳을 관측하였으며 약 12시간 후 몇 개의 지점들이 선별되었다.

그리고 지구로부터 1억 3천만 광년 거리에 있는 NGC 4993이라는 은하에서 예전에는 보이지 않던 빛이 발견되었다.


이 별은 일반적으로 새별(nova)이라 불리는 다양한 별의 섬광현상보다 1천배나 더 밝은 별이었다. 

따라서 천문학자들은 이 별을 "킬로노바(kilonova)"로 분류하였다.


허블관측이 진행되던 6일 동안 이 별은 현저하게 어두워졌다.


우주망원경과학연구소의 오리 폭스(Ori Fox)는 이번 현상이 천문학계에서 그동안 기다려온 3연타의 양상, 즉 중력파와 감마선 폭발, 킬로노바가 함께 발생한 양상을 보여주는 사건이라고 평가했다.

이 세 개 사건은 모두 2개 중성자 별의 충돌이라는 하나의 사건으로부터 발생한 것이다.


중성자별은 무거운 별이 붕괴를 통해 죽어가면서 남긴 핵이다. 

이 과정이 너무나 파괴적이다보니 양성자와 전자가 으깨지면서 중성자라 불리는 아원자 입자가 만들어지게 된다.

그 결과 여러개의 태양을 구성할 수 있는 물질이 고작 수킬로미터 직경에 우겨져 들어간 어마어마한 원자핵이 만들어진다.


NGC 4993에서 이 두 개의 중성자별이 어마어마한 속도로 서로 나선궤도를 그리며 돌고 있었다.

이 중성자별은 서로 점점 가까이 당겨지며 더더욱 빠른 속도로 회전했고 막판에는 서로 뒤섞일만큼 빨라졌다.


잔여 물질들이 충돌하는 동안 강력한 중력파가 방출되었고 이로부터 거대한 중성자별이나 블랙홀이 형성되었을 것이다.

그리고 잔여물질들은 우주공간으로 쏟아져나왔다.


이때 충돌압력으로부터 밀려나온 중성자들은 다시 양성자와 전자로 전환되면서 철보다 무거운 다양한 화학원소들을 만들어낸다.


우주망원경과학연구소 앤디 프럭터(Andy Fruchter)는 중성자별의 충돌이 황금부터 플로토늄까지 무거운 원소들을 만드는 원천으로 간주되고 있다고 말했다.


여러 연구팀이 허블우주망원경에 탑재된 카메라와 분광기를 이용하여 이 중력파를 만들어낸 천체를 관측하였다.

프럭터와 폭스 및 그의 동료들은 허블우주망원경을 이용하여 적외선 대역에서 이 천체의 스펙트럼을 얻을 수 있었다.


천문학자들은 이 파장을 무지개파장으로 분해함으로써 이곳에 존재하는 화학원소들을 탐지할 수 있었다.

이 스펙트럼에는 여러개의 급격한 변화양상과 요동치는 선을 보여주었는데 이는 자연상태에서 가장 무거운 원소들이 형성될 때 나타나는 신호에 해당한다.




Credits NASA, ESA, and A. Feild (STScI) 

Acknowledgment: A. Levan (University of Warwick), N. Tanvir (University of Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)

표1> 킬로노바의 분광 데이터

      중력파가 감지된 8월 17일에서 5일이 지난 후 허블우주망원경은 킬로노바라 불리는 밝은 섬광과 

      연결된 분광 데이터를 수집하였다.

      적외선에서 수집된 분광데이터를 해석하는 것은 어려운 일이다.

      분광 데이터 상에 나타나는 선은 개별 화학원소들을 규명하는데 사용되지만 물질들이 너무나 빠르게

      움직이다 보니 이 분광선들도 모두 뭉개진 채 나타난다.

      1,000 나노미터 파장 주변에서 가장 밝게 나타나는 스펙트럼 봉우리는 란탄족 원소라 불리는 다양한

      방사성원소로부터 발생하는 것이다. 

      이 원소들은 중성자별의 충돌로부터 생성된 것들이다.



허블스펙트럼 관측 제안을 이끈 영국 워릭대학교, 엔드류 레반(Andrew Levan)의 설명은 다음과 같다.

"이 스펙트럼은 두 개 중성자별이 충돌할 경우 나타날 현상에 대해 이론물리학자들이 예견해왔던 현상과 

 정확히 맞아떨어지는 양상을 보여주고 있습니다.

 이 스펙트럼은 의심의 여지없이 중력파를 만들어낸 천체들과 연관되어 있습니다."


추가적인 분광관측은 영국 레스터 대학교 니얼 탄비어(Nial Tanvir)가 이끄는 연구팀에 의해 수행되었다.


분광데이터 상에 나타나는 스펙트럼선은 개개의 원소를 특정하는데 사용될 수 있는 지문이라 할 수 있다.

하지만 탐지된 분광데이터를 해석하는 것은 매우 어려운 일이다.


프럭터의 설명은 다음과 같다.

"두 개의 중성자별이 어마어마한 양의 물질들을 우주 공간으로 밀어냈다는 사실 말고는 이 스펙트럼이 

 우리에게 말해주는 것이 무엇인지는 아직 아무도 확신하지 못하고 있습니다. 

 왜냐하면 이 사건에서 밀려난 물질들은 너무나도 빨리 움직이고 있어 스펙트럼에 나타나는 선도 뭉개져 

 버리고 말죠.

 또한 이 물질들은 모든 종류의 특이한 동위 원소들입니다. 이중 상당수가 매우 짧은 수명을 가지고 있고,

 방사성 붕괴를 겪고 말죠.

 좋은 소식이라면 이 분광데이터가 매우 정교하고 작업을 하고 분석하기에는 충분한 데이터를 보유하고 

 있다는 것입니다."

 

허블우주망원경은 며칠동안 이 사건으로부터 만들어진 가시광선이 점점 사그라드는 양상을 관측하였다.

천문학자들은 이 빛이 바깥쪽으로 빠르게 밀려나오는 물질들의 강력한 폭풍으로부터 발생했을 것으로 생각하고 있다.


이번에 진행된 관측들은 중성자별들이 충돌하는 것을 공전궤도면 위에서 내려다보는 방향에서 관측되었다는 단서를 보여주고 있다.

만약 이 충돌을 공전궤도면을 따라 측면에서 관측한 것이라면 충돌이 발생하는동안 분출된 물질들로 인해 가시광선은 차폐되었을 것이고 오로지 적외선 관측만이 가능했을 것이다.


NASA 고다드우주비행센터 및 멜릴랜드대학 소속의 엘레노라 트로자(Eleonora Troja)의 설명은 다음과 같다.

"우리가 킬로노바를 볼 수 있는 것은 우리가 이 현상을 바라보는 각도 때문에 가능했던 것 같습니다.

 어떤 광경을 측면에서 보느냐, 정면에서 보느냐에 따라 동일한 사건은 다르게 보이죠. 

 바로 이 점이 우리에게 완전 놀라운 광경을 선물해 준 것입니다."

트로자는 허블우주망원경을 이용한 연구팀의 수석 연구원이기도 하다.


중력파의 원천이 된 천체는 태양과 너무 가까워 허블우주망원경이나 다른 망원경을 이용한 관측이 어려운 상태이다.

이 천체는 11월에 다시 시야에 들어오게 된다.

천문학자들은 그때까지 이 독특한 사건에서 가능한한 모든 것을 알아내기 위해 부지런히 노력할 것이다.


제임스웹우주망원경이 발사되면 이 천체에 대한 적외선 탐사 기회가 제공될 것이고 수개월 또는 수년동안 남아 있는 불꽃을 관측할 수 있게 될 것이다.


Credits NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

그림1> 이 일련의 삽화는 짧은 감마선 폭발의 형성모델을 그리고 있다.

        1. 한쌍의 중성자 별이 이중별계를 이루며 나선형으로 공전하고 있다.

           공전운동량은 중력파를 발산시키고 이것이 시공간상에 미세한 파동을 만들어낸다.

        2. 마지막 밀리초의 짧은 순간에 두 개 천체는 충돌하고 이로부터 고준위 방사성 물질들이 

           쏟아져나온다. 

        3. 중성자별의 충돌 와중에 이들을 구성하고 있는 물질 중 일부가 밀려나온다. 

           뜨거운 고준위 방사성 물질들이 퍼져나가는데 그 외곽층은 적외선이 탈출해 나오기 충분할만큼

           얇은 상태이다. 

           밝기가 최고조에 도달했을 때(충돌로부터 1주일 이내) 그 밝기는 전형적인 새별보다 1천배 이상

           밝게 빛난다. 

           킬로노바라는 이름은 이처럼 밝은 빛으로 인해 붙여진 것이다. 

        4. 충돌이 있은 후 거대한 질량의 중성자별 또는 블랙홀이 그 주위에 팽창하는 잔해 구름을 두른 채

           남게 되고 강력한 물질 폭풍이 휘몰아쳐나온다.



출처 : 허블사이트 2017년 10월 16일 발표 뉴스

       http://hubblesite.org/news_release/news/2017-41  



번역 : 이강민 천문지도사

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