웹, 젊은 초신성 잔해의 중심에서 중성자별 증거 발견

NASA의 제임스 웹 우주망원경이 최근 관측된 초신성 현장에서 중성자별의 방출에 대한 최고의 증거를 발견했습니다. SN 1987A로 알려진 초신성은 핵붕괴 초신성으로, 핵에 압축된 잔해가 중성자별이나 블랙홀을 형성했다는 의미입니다. 이러한 소형 물체에 대한 증거는 오랫동안 추구되어 왔으며 중성자별의 존재에 대한 간접적인 증거는 이전에 발견되었지만 젊은 중성자별의 고에너지 방출 효과가 감지된 것은 이번이 처음입니다.

초신성(일부 거대한 별의 폭발적인 최후의 죽음의 고통)은 몇 시간 안에 폭발하며, 폭발의 밝기는 몇 달 안에 최고조에 이릅니다. 폭발하는 별의 잔해는 향후 수십 년 동안 빠른 속도로 계속 진화하여 천문학자들에게 주요 천문학 과정을 실시간으로 연구할 수 있는 드문 기회를 제공할 것입니다.

초신성 1987A

초신성 SN 1987A는 지구로부터 160,000광년 떨어진 대마젤란운에서 발생했습니다. 1987년 2월 지구에서 처음 관측되었으며, 그해 5월에 밝기가 최고조에 달했습니다. 1604년 케플러의 초신성이 관측된 이후 맨눈으로 볼 수 있는 최초의 초신성이다.

SN 1987A의 첫 번째 가시광 관측이 이루어지기 약 2시간 전에 전 세계 3개 관측소에서 단 몇 초 동안 지속되는 중성미자 폭발을 감지했습니다. 두 가지 다른 유형의 관측은 동일한 초신성 사건과 연관되어 있으며 핵붕괴 초신성이 어떻게 발생하는지에 대한 이론을 알려주는 중요한 증거를 제공했습니다. 이 이론에는 이러한 유형의 초신성이 중성자별이나 블랙홀을 형성할 것이라는 기대가 포함되었습니다. 천문학자들은 그 이후로 팽창하는 잔해 물질의 중심에서 이러한 조밀한 물체 중 하나에 대한 증거를 찾아왔습니다.

지난 몇 년 동안 잔해의 중심에 중성자별이 존재한다는 간접적인 증거가 발견되었으며, 게 성운과 같은 훨씬 오래된 초신성 잔해의 관측을 통해 많은 초신성 잔해에서 중성자별이 발견된다는 사실이 확인되었습니다. 그러나 지금까지 SN 1987A(또는 최근의 초신성 폭발)의 여파로 중성자별이 생겼다는 직접적인 증거는 관찰되지 않았습니다.

이번 연구의 주 저자이자 스톡홀름 대학의 Claes Fransson은 다음과 같이 설명했습니다. “SN 1987A의 이론적 모델에서 초신성 직전에 관찰된 10초 동안의 중성미자 폭발은 폭발로 인해 중성자별이나 블랙홀이 형성되었음을 암시했습니다. 그러나 우리는 초신성 폭발로 인해 그러한 신생 물체에 대한 강력한 특징을 관찰한 적이 없습니다. 이 관측소를 통해 우리는 이제 중성자별일 가능성이 높은 신생 소형 물체에 의해 촉발된 방출에 대한 직접적인 증거를 발견했습니다.”

웹의 SN 1987A 관측

Webb은 2022년 7월에 과학 관측을 시작했으며, 이 작업 뒤에 있는 Webb 관측은 7월 16일에 수행되어 SN 1987A 잔해는 Webb이 관측한 최초의 물체 중 하나가 되었습니다. 연구팀은 같은 팀 구성원들이 개발에 도움을 준 Webb의 MIRI(Mid-Infrared Instrument)의 중해상도 분광기(MRS) 모드를 사용했습니다. MRS는 IFU(Integral Field Unit)로 알려진 기기 유형입니다.

IFU는 물체를 이미지화하는 동시에 물체의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. IFU는 각 픽셀에서 스펙트럼을 형성하여 관찰자가 물체 전체의 분광학적 차이를 볼 수 있도록 합니다. 각 스펙트럼의 도플러 편이를 분석하면 각 위치의 속도도 평가할 수 있습니다.

결과에 대한 스펙트럼 분석에서는 SN 1987A의 원래 위치를 둘러싸고 있는 방출된 물질의 중심에서 이온화된 아르곤으로 인해 강한 신호가 나타나는 것으로 나타났습니다. 더 짧은 파장에서 Webb의 NIRSpec(근적외선 분광기) IFU를 사용한 후속 관찰에서는 훨씬 더 심하게 이온화된 화학 원소, 특히 5배 이온화된 아르곤(18개의 전자 중 5개를 잃은 아르곤 원자를 의미)을 발견했습니다. 이러한 이온이 형성되려면 고에너지 광자가 필요하며, 이러한 광자는 어딘가에서 나와야 합니다.

“우리가 분출물에서 관찰한 이러한 이온을 생성하려면 SN 1987A 잔해의 중심에 고에너지 방사선원이 있어야 한다는 것이 분명했습니다.”라고 Fransson은 말했습니다. “논문에서 우리는 다양한 가능성에 대해 논의했으며, 몇 가지 시나리오만이 가능성이 있고 이 모든 시나리오에는 새로 탄생한 중성자별이 포함된다는 사실을 발견했습니다.”

올해에는 Webb 및 지상 망원경을 사용하여 더 많은 관측이 계획되어 있습니다. 연구팀은 지속적인 연구가 SN 1987A 잔해의 중심에서 정확히 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 더 명확하게 제공되기를 바라고 있습니다. 이러한 관찰은 보다 상세한 모델의 개발을 자극하여 궁극적으로 천문학자들이 SN 1987A뿐만 아니라 모든 핵 붕괴 초신성을 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것입니다.

이 연구 결과는 저널에 게재되었습니다. 과학.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240222214025.htm