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ESO의 망원경들이 중력파를 만들어낸 천체의 빛을 최초로 관측하다.|

  • 이강민
  • |조회수 : 849
  • |추천수 : 0
  • |2017-10-19 오후 10:10:11


Credit:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

그림1> 이 상상화는 충돌 및 킬로노바로 폭발에 직면한 두 개의 고밀도 중성자별을 그린 것이다.

         이 희귀한 사건은 중력파와 짧은감마선폭발을 모두 발생시킬 것으로 예상되었는데 바로 이 신호가

         2017년 8월 17일 라이고와 비르고, 페르미감마선망원경 및 인테그럴망원경에 의해 포착되었다.

         ESO의 망원경들이 참여하여 진행된 상세한 후속 관측을 통해 지구로부터 1억 3천만광년 거리의 

         은하 NGC 4993에서 발생한 이 사건이 킬로노바 현상이라는 사실이 확정되었다.

         이 사건은 또한 우주공간에 황금이나 백금과 같은 매우 무거운 화학원소들을 만들어내는 

         사건이기도 하다.



Credit:ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir

사진 1> ESO 초대형망원경에 장착된 VIMOS 장비가 촬영한 이 사진은 1억 3천만 광년 거리의 은하 

         NGC 4993을 보여주고 있다.

         이 은하는 그 자체로는 특이한 은하는 아니다. 그러나 바로 이곳에서 중성자별의 폭발여파이면서

         지금까지 한번도 목격된 바 없는 킬로노바 현상이 목격되었다. 

         (킬로노바의 불꽃이 사진 은하 중심에서 바로 위 약간 왼쪽에 위치하고 있다.)

         이 충돌은 또한 중력파와 감마선폭발을 발생시켰으며 이 두 개 신호가 라이고-비르고와 

         페르미위성 및 인테그럴 망원경에 의해 각각 포착되었다.



Credit:VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM

사진 2> 이 사진은 ESO 망원경 및 장비들이 촬영한 NGC 4993의 여러 모습을 담고 있다.

          모든 사진에는 중심 근처에 희미한 광원 하나가 그 모습을 드러내고 있다.

          바로 그 빛이 중성자 별의 충돌로부터 만들어진 킬로노바이다.



Credit:ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir

사진 3> 이 사진은 VLT에 장착된 MUSE가 촬영한 NGC 4993의 모습이다.

         킬로노바의 불꽃이 사진 은하 중심에서 바로 위 약간 왼쪽에 위치하고 있다.

         MUSE는 각 부분의 분광 데이터를 담아냄으로써 이 불타오르는 가스의 복사를 상세하게 볼 수 있게

         해 준다. 

         사진에 이 부분은 붉은색으로 나타나고 있으며 놀라운 나선구조가 그 모습을 드러내고 있다.



Credit:ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration

사진 4> 이 모자이크 사진은 NGC 4993에서 발견된 킬로노바가 폭발이 발생하고나서 일주일여동안 색이 

         붉어지면서 희미해져가는 모습을 보여주고 있다.

         이 사진은 ESO 파라날천문대에 자리잡은 VISTA 적외선탐사 망원경에 의해 관측된 것이다.





Credit:Tanvir et al.

표 1> 이 도표는 서로다른 색필터에서 측정된 킬로노바의 밝기변화 양상을 보여주고 있다.

       이 천체의 파란색 빛은 빠르게 사그라들고 있는 반면 긴 파장인 근적외선 부분에서는 약간 더 

       밝아졌다가 서서히 희미해져가는 양상을 보여주고 있다.

       그 결과 킬로노바의 색깔 역시 4주 동안 짙은 파란색에서 짙은 빨간색으로 변해갔다.



Credit:Tanvir et al.

표 2> 이 도표는 2017년 8월 17일 이후 12일동안 킬로노바의 스펙트럼과 발기가 변화한 양상을 담은 

      것이다.

      파란색은 빠르게 희미해져간 반면 근적외선 대역의 긴파장은 약간 밝아졌다가 서서히 희미해져가는

      양상을 보여주고 있다.

      이 기간동안 킬로노바 역시 짙은 파란색에서 짙은 붉은색으로 변해갔다.

      각각의 선에는 폭발이 발생하고 나서 경과된 날짜가 표시되어 있다. 

      세로축은 자외선부터 적외선까지 빛의 색깔을 나타낸 것이다. 

      각 선의 색깔은 서로 다른 시간대에 나타나는 이 천체의 전반적인 색깔을 표시하고 있다.




Credit:ESO/S. Smartt & T.-W. Chen

사진 5> 이 사진은 ESO 라실라 천문대의 MPG/ESO 2.2미터 망원경에 장착된 

         감마선폭발 가시광선/근적외선 감지기(Gamma-ray Burst Optical/Near-infrared Detector,

         GROND)가 촬영한 NGC 4993의 킬로노바 사진이다.




Credit:ESO and Digitized Sky Survey 2

사진 6> 이 광대역 사진은 DSS2에 의해 만들어진 사진으로 NGC 4993과 그 주변의 하늘을 담고 있다.

         NGC 4993에서 중력파와 짧은감마선폭발, 그리고 킬로노바 사건의 가시광선 식별이 가능했던 

         중성자별의 충돌이 발생했다.




Credit:ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO

표 3> 이 표는 ESO VLT에 장착된 X-슈터 장비가 촬영한 분광데이터를 보여주고 있다. 

       이 표를 통해 폭발 후 12일간 발생한 킬로노바의 행동양상의 변화를 알 수 있다.

       각 분광데이터는 근자외선에서 근적외선까지의 파장을 담고 있으며 킬로노바가 드라마틱하게 

       붉은색으로 변해가며 희미해지는 양상을 알려주고 있다.





Credit:ESO

사진 7> 이 사진은 ESO VLT에 장착된 VIMOS 장비가 촬영한 NGC 4993의 모습이다.

         킬로노바가 사진에 화살표로 표시되어 있다. 




Credit:ESO, IAU and Sky & Telescope

표 4> 이 표는 밤하늘에서 가장 거대하고 가장 길게 뻗어있는 별자리인 바다뱀자리를 담고 있다.

       표 상에 기록된 별들은 청명하고 어두운 밤하늘이라면 모두 맨눈으로 볼 수 있는 별들이다.

       붉은색 원이 NGC 4993 은하이다. 

       이 은하는 2017년 8월, 가시광선으로 추적인 가능했던 킬로노바 현상과 중력파가 한꺼번에 

       감지되면서 일약 유명은하가 되었다.

       NGC 4993은 별지기들이 가지고 있는 대구경 망원경이라면 매우 희미하게 그 모습을 볼 수 있는 

       은하이다.




Credit:ESO/A. Grado

사진 8> 이 사진은 ESO VST 망원경이 촬영한 NGC 4993의 모습이다.

         킬로노바의 불꽃이 사진 은하 중심에서 바로 위 약간 왼쪽에 위치하고 있다.



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

사진 9> 2017년 8월 17일 라이고와 비르고 간섭계가 중성자별간의 충돌로부터 발생한 중력파를 

         탐지하였다.

         그리고 이후 12시간 내에 이 사건이 발생한 지점이 렌즈상은하 NGC 4993에 위치한다는 것이 

         밝혀졌다.

         이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 NGC 4993의 모습이다.

         이 사건과 연관되어 발생한 섬광인 킬로노바 현상이 이 사진에 선명하게 그 모습을 드러내고 있다.

         중력파에 대응되는 천체가 가시광선으로 관측되기는 이번이 처음이다.

         허블우주망원경이 관측을 진행하던 6일 동안 이 킬로노바는 점차 희미해져 갔으며 그 모습이 

         하단 네모 박스에 담겨 있다. 

         네모 박스의 사진들은 2017년 8월 22일에서 28일 사이에 촬영된 것이다.




Credit:ESO

표 5> 이 표는 이번에 킬로노바 현상을 관측하는데 동원횐 ESO 장비들의 다양한 관측 파장을 표시한 

       것이다.




Credit:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

그림 2> 중성자별의 충돌은 킬로노바로 알려져 있는 강력한 폭발을 만들어낸다. 

          이 현상은 무거운 화학원소들을 만들어내는 원인으로 추정되고 있다. 

          이 상상화에는 각 원자번호로 이렇게 만들어진 원소들이 나열되어 있다.




Credit:ESO/L. Calcada/M. Kornmesser

그림 3> 이 상상화는 충돌 및 킬로노바 폭발이 발생할 시점에 직면한 두 개의 중성자별을 그린 것이다.

         대단히 드물게 발생하는 이 현상은 중력파와 짧은감마선폭발을 함께 만들어낼 것으로 예측되었다.

         바로 이 현상이 2017년 8월 17일 라이고와 비르고 간섭계, ESA의 인테그럴 망원경 및 NASA의 

         페르미감마선우주망원경에 의해 각각 포착되었다.

         ESO의 망원경들이 참여하여 진행된 상세한 후속 관측을 통해 지구로부터 1억 3천만광년 거리의 

         은하 NGC 4993에서 발생한 이 사건이 킬로노바 현상이라는 사실이 확정되었다.

         이와 같은 현상은 금이나 백금과 같은 매우 무거운 화학원소들을 만들어내는 주요 원인이 된다. 



Credit:ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration

사진 10> 이 합성사진은 중성자 별의 폭발로 발생한 킬로노바와 NGC 4993의 모습을 보여주고 있다.



Credit:University of Warwick/Mark Garlick

그림 4> 충돌하고 있는 두 개의 고밀도 중성자별



Credit:LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer/Axel Mellinger

표 6> 이 그림에는 라이고가 중력파를 감지하기 시작한 2015년부터 감지된 중력파 GW150914, 

       LVT151012, GW151226, GW170104의 발생지점과 라이고-비르고 네트워크에 의해 감지가 시작된

       최근 두 개 중력파 GW170814, GW170817의 위치가 표시되어 있다.

       2017년 8월 비르고가 합세하고 나서 과학자들은 중력파 신호의 위치를 보다 향상된 정확도로 

       추적할 수 있게 되었다.

       배경으로는 가시광선으로 바라본 미리내가 담겨 있다.




Credit:LIGO-Virgo

표 7> 이 지도에는 GW170817중력파를 감지한 70개의 천문대가 표시되어 있다. 

       2017년 8월 17일 라이고와 비르고가 중성자별들 간의 충돌로 발생한 중력파를 감지하였다.

       ESO의 망원경을 비롯한 전세계의 망원경들이 이후 몇 시간, 며칠, 몇 주 동안 이 충돌의 

       후속 여파를 관측하였다.

       ESO의 망원경들은 이 중성자별의 위치를 규명하고 황금과 같은 무거운 원소들의 존재를 식별하는데

       중추적인 역할을 수행하였다.





Credit:NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

그림 5> 이 그림은 충돌하는 두 개 중성자별을 묘사한 상상화이다.

         시공간의 요동은 중력파로 퍼져나갔고, 중력파 발생 2초 후 폭좁은 광선으로 감마선폭발이

         발생하였다.

         이 상상화에는 충돌로부터 발새한 분출 물질들로 만들어진 소용돌이 치는 구름도 묘사되어 있다.

         이 구름에서 가시광선을 비롯한 여러 파장에서 빛이 쏟아져 나온다.

 


칠레에 있는 ESO 산하의 일련의 망원경들이 중력파를 발생시킨 천체에 대응되는 천체를 처음으로 가시광선으로 촬영해냈다.

이 역사적인 관측을 통해 이 독특한 천체가 두 개 중성자별의 충돌의 결과로 만들어졌다는 것을 알게 되었다.

오랫동안 이론상으로만 예견된 킬로노바라는 이름의 이 파괴적인 사건의 여파로 황금이나 백금과 같은 무거운 물질들이 우주 공간에 퍼져 나가게 되었다.

네이처지를 비롯한 여러 잡지에 논문이 개재된 이번 발견은 짧은감마선폭발이 중성자별의 충돌에 의해 발생한다는 점에 대한 가장 강력한 증거가 되기도 한다.


사상 최초로 천문학자들이 동일 사건을 중력파와 전자기파 복사 양쪽 측면에서 관측할 수 있었다. 

이번 관측은 전지구적인 협력체계와 ESO의 각종 관측 설비 및 전 지구상에 존재하는 관측설비들의 빠른 반응 때문에 가능했다.


2017년 8월 17일 미국의 라이고 및 이탈리아의 비르고 간섭계는 지구를 통과하는 중력파를 관측해냈다.

이번 중력파는 5번째로 감지된 중력파로서 GW170817 이라는 이름으로 등재되었다.


중력파가 감지되고 2초후, 우주공간에 자리잡고 있는 NASA의 페르미감마선우주망원경과 ESA의 국제감마선천체물리학연구소(INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory, INTEGRAL)망원경이 동일 지역에서 짧은 감마선폭발을 감지했다.

 

라이고와 비르고의 관측 네트워크는 중력파가 발생한 곳을 남반구의 넓은 지역 내로 특정하였는데 그 지역의 너비는 보름달의 수백 배에 해당하는 범위였으며 수백만 개의 별이 담겨 있는 지역이었다[1].


칠레가 밤에 잠겨들었을 때, 여러 망원경이 해당 지역을 탐사하면서 새로 출현한 천체를 탐사했다.


여기에는 ESO의 천문학을 위한 가시광선 및 적외선 탐사망원경(Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, 이하 VISTA)과 

파라날 천문대의 VLT탐사 망원경(VLT Survey Telescope, 이하 VST), ESO 라실라 천문대의 이탈리아 레피드아이 망원경(the Italian Rapid Eye Mount, 이하 REM)과 라스컴브레스 천문대의 LCO 0.4미터 망원경(the LCO 0.4-meter telescope), 세로톨로로 전미주 천문대의 아메리카 DECam이 참여하였다.


Swope 1미터 망원경은 새로운 빛이 탐사된 지점을 처음으로 보고한 망원경이다.


그 빛은 바다뱀자리에 있는 렌즈상은하인 NGC 4993에서 아주 가까운 지점에서 발견되었으며 VISTA는 거의 동시에 적외선 파장에서 이 빛을 뿜어내는 천체를 특정해냈다.


밤이 서쪽으로 이동하면서 하와이의 판스타스와 쓰바루 망원경 역시 재빠르게 관측에 참여했다.


네이처에 개재된 논문 중 하나의 주저자인 INAF의 천문학자 엘레나 피안(Elena Pian)은 새로운 시대의 서막을 증언할 수 있는 기회가 많지 않은데 이번이 딱 그 기회였다고 의미를 부여했다.


ESO는 가장 큰 규모의 기회표적 탐사 프로그램 중 하나를 발족하였으며 ESO 및 ESO와 협력관계를 맺고 있는 많은 탐사망원경들이 수 주 동안 이 천체를 관측하였다[2].


ESO의 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)과 신기술망원경(New Technology Telescope, 이하 NTT), VST와 MPG/ESO 2.2미터 망원경 및 ALMA[3] 는 모두 대단히 넓은 파장을 이용하여 이번 사건과 그 후속 여파를 관측했다.


허블우주망원경을 포함하여 전세계에 걸쳐 약 70여 개의 천문대가 대상 천체를 관측하였다.


중력파 데이터와 다른 천문대에서 취합된 관측 데이터들로부터 추출된 예상 거리는 GW170817 의 거리가  NGC 4993과 동일한 1억 3천만 광년으로 나타났다.


이러한 사실은 이번에 탐지된 중력파가 지금까지 탐지된 모든 중력파 중 가장 가까운 지점에서 발생한 중력파임은 물론 감마선폭발 역시 가장 가까운 지점에서 발생한 감마선 폭발임을 말해주는 결과였다.[4]


중력파로 알려져 있는 시공간의 파동은 움직이는 질량체에 의해 발생하지만 현재 감지가 가능한 것은 가장 강력하면서도 급격한 속도 변화양상을 보이는 매우 무거운 질량체에 의해 발생한 중력파로 한정되어 있다.

이에 해당하는 사건 중 하나가 큰빛새별 폭발 후 남겨진 극단적인 밀도를 가지고 있는 중성자별들 간의 충돌인 것이다.[5]

바로 이러한 충돌이 짧은감마선폭발을 설명하는 가장 선구적인 가설로서 지금까지 유지되고 있다.


이 파괴적인 사건으로 발생하는 전형적인 새별보다 1,000배 밝은 빛을 뿜어내는 이른바 킬로노바 현상은 이러한 충돌 이후 발생하는 사건으로 예견되었다.


GW170817로부터 발생한 중력파와 감마선을 감지한 대부분의 관측 모두가 이번에 발생한 사건이 오랫동안 찾아왔던 킬로노바 현상일 것이라는 희망을 갖게 만들었고 ESO의 관측장비들이 동원된 일련의 관측에서 이론상 예견된 킬로노바 사건과 이번 사건이 상당히 일치한다는 점이 드러났다.

킬로노바 현상은 30년 전 최초로 제안되었으나 관측을 통해 확정되기는 이번이 처음이다.


두 개 중성자별들간의 충돌 이후 폭발로부터 방사성 중원소들이 빛의 속도의 거의 5분의 1에 육박하는 속도로 빠르게 쏟아져 나왔다.

킬로노바의 색깔은 짙은 파란색에서 바로 며칠 상관에 짙은 빨간색으로 빠르게 바뀌었다. 

이는 그 어떤 별폭발 현상에서 목격되는 색채변화보다 훨씬 더 빠르게 진행된 변화이다. 


천체의 전면을 통과하는 천체에 대한 ESO 대중 분광 관측 프로그램(the extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects, 이하 ePESSTO) 의 일환으로 ESO의 NTT탐사를 이끄는 스테판 스마트(Stephen Smartt)의 소감은 다음과 같다.

"분광데이터가 제 화면에 나타났을 때, 저는 이것이 제가 지금까지 봐온 분광 데이터 중 가장 독특한 양상을 보여준다는 것을 깨닳았습니다.

 저는 이와 같은 분광 데이터를 전혀 본적이 없었어요.

 우리가 수집한 데이터는 다른 팀이 수집한 데이터와 함께 이 분광 데이터가 큰빛새별의 데이터도 아니고 깜빡이별의 데이터도 아니며 

 뭔가 대단히 놀라운 천체의 데이터라는 것을 말해주고 있었습니다."

 

ePESSTO와 VLT X-shooter 장비가 취합한 분광데이터는 충돌한 중성자별에서 세슘과 텔루르가 만들어졌음을 말해주고 있었다.

중성자별들이 충돌하는 동안 만들어지는 이 원소들과 다른 문거운 원소들은 곧 이어지는 킬로노바에 의해 우주공간으로 쓸려나올 것이다.


이번 관측은 고밀도상태의 별 내부에서 핵융합반응에 의해 만들어지는 철보다 훨씬더 무거운 원소들이 어떻게 형성되는지를 확정해주고 있다. 

r-프로세스 핵합성(r-process nucleosynthesis)으로 알려져 있는 이 현상은 오직 이론상으로만 예견되었던 현상이었다.


네이처지에 개재된 천문학 논문 중 하나의 주저자인 스테파노 코비노(Stefano Covino)의 소감은 다음과 같다.

"이번 데이터는 이론과 정말 놀라울 정도로 딱 들어맞고 있습니다. 

 이것은 이론가들의 승리라 할 수 있습니다. 

 라이고와 비르고가 수집한 데이터는 절대적인 사실이라는 것이 확정되었고 

 ESO가 수집한 이 놀라운 데이터들은 킬로노바 현상을 설정하는 위업을 이뤄냈죠."

 

또다른 논문의 주저자인 엔드류 레반(Andrew Levan)의 소감은 다음과 같다.

"ESO의 훌륭한 강점은 다양한 범주의 망원경과 장비를 갖추고 있어 거대하고 복잡하면서도 갑작스러운 천문학적 과제에 도전할 수 있다는 것입니다. 

 이제 우리는 다중신호천문학이라는 새로운 시대에 들어섰습니다."



각주


[1] 라이고-비르고 관측에서 특정된 지역의 너비는 35제곱도에 해당하는 너비였다.


[2] NGC 4993은 8월 저녁에만 관측할 수 있었다. 

     9월에는 태양과 너무 가까워져 관측이 불가능한 상태가 되었다.


[3] VLT에서는 다음과 같은 장비들이 관측에 동원되었다. 

    우선 2번 망원경에 장착된 X-슈터 분광기가 사용되었다. 

    1번 망원경에는 초점거리 리듀서 및 저분산분광기 2(the FOcal Reducer and low dispersion

    Spectrograph 2, FORS2)와 나스미스적응광학시스템(Nasmyth Adaptive Optics System, NAOS), 

    근적외선 화상기 및 분광기(Near-Infrared Imager and Spectrograph)가 사용되었다. 

    3번 망원경에서는 과시광선 다중 분광기(VIsible Multi-Object Spectrograph, VIMOS)와 VLT 화상기 및

    중적외선을 위한 분광계(VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared, VISIR)가 사용되었다. 

    4번 망원경에서는 다중분광탐사기(Multi Unit Spectroscopic Explorer, MUSE)와 고감도광대역K대역

    화상기(High Acuity Wide-field K-band Imager, HAWK-I)가 사용되었다.


    VST는 오메가캠( the OmegaCAM)을 이용하여 관측을 진행하였고, VISTA는 VIST적외선카메라(VISTA

    InfraRed CAMera, VIRCAM)를 이용한 관측을 진행하였다.


    NTT는 ePESSTO 프로그램을 통해 ESO 희미한천체분광기 및 카메라2(the ESO Faint Object 

    Spectrograph and Camera 2, EFOSC2) 분광기와 infrared spectra with the Son of ISAAC (SOFI) 

    분광기를 이용하여 가시광선상의 분광데이터를 수집하였다. 


    MPG/ESO 2.2미터 망원경은 감마선폭발가시광선/근적외선감지기(the Gamma-Ray burst 

    Optical/Near-infrared Detector, GROND)를 이용하여 관측을 진행하였다.


[4] 중성자별들의 충돌이 발생한 지점과 지구 사이의 1억 3천만 광년이라는 거리는  상대적으로 가까운 

    거리이며 이로인해 관측이 가능하게 되었다. 

    중성자별들 간의 충돌은 블랙홀 간의 충돌에서 발생하는 중력파보다 훨씬 더 약한 중력파를 

    만들어낸다. 

    아마도 이것이 앞서 감지된 4개의 중력파가 블랙홀 충돌로 발생한 중력파인 이유일 것이다.


[5] 이중별계에서 중성자별들이 서로 공전할 때, 중력파를 복사해내면서 에너지를 잃어간다.

    이 중성자 별들이 서로 가까워지다가 충돌하게 되면  E=mc2이라는 그 유명한 아인슈타인의 

    방정식에서 규명한 대로 별폭발 잔해의 일부는 격렬한 중력파의 폭발 속에서 에너지로 변환된다. 

   


출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2017년 10월 16일자 

       http://www.eso.org/public/news/eso1733/    


번역 : 이강민 천문지도사

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