제임스 웹 우주 망원경이 발견한 중성자별은
항성 폭발의 잔해 속에 숨어 37년 동안 숨어 있다가 초신성 1987A로 발견
NASA/ESA/CSA 제임스 웹 우주 망원경은 최근에 관측된 잘 알려진 초신성의 현장에서 중성자별의 방출에 대한 최고의 증거를 관측했습니다. SN 1987A로 알려진 이 초신성은 지구에서 16만 광년 떨어진 대마젤란자리 구름에서 발생했습니다.
(이미지 출처: NASA, ESA, CSA 및 C. Fransson(스톡홀름 대학교), M. Matsuura(카디프 대학교), M. J. Barlow(유니버시티 칼리지 런던), P. J. Kavanagh(메이누스 대학교), J. Larsson(KTH 왕립 기술 연구소))
천문학자들은 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 사용하여 항성 폭발의 잔해에서 중성자별을 발견한 후 거의 10년에 걸친 천체 숨바꼭질 게임을 끝냈습니다.
초신성 1987A는 한때 태양의 약 8~10배 질량을 가졌던 폭발한 별의 잔해입니다. 이 별은 우리 은하의 이웃 왜소 은하인 대마젤란 성운에서 약 17만 광년 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 초신성 1987A는 37년 전인 1987년에 천문학자들에 의해 처음 발견되었기 때문에 그 이름에 숫자가 붙었습니다. 초신성 1987A는 폭발하면서 중성미자라는 유령 입자를 지구에 뿌린 후 밝은 빛으로 보이게 되었습니다. 이로 인해 약 400년 동안 지구의 밤하늘에서 가장 가깝고 가장 밝은 초신성이 되었습니다.
이와 같은 초신성 폭발은 탄소, 산소, 실리콘, 철과 같은 원소를 우주에 뿌려주는 역할을 합니다. 이러한 원소들은 궁극적으로 차세대 별과 행성의 구성 요소가 되며, 언젠가는 우리가 알고 있는 생명체의 필수 요소가 될 수 있는 분자를 형성할 수도 있습니다. 이러한 폭발은 또한 중성자별 또는 블랙홀 형태의 소형 항성 잔해를 생성하는데, 37년 동안 천문학자들은 초신성 1987A의 중심부에 어떤 것이 숨어 있는지 알지 못했습니다.
물리학 및 천문학 명예교수이자 이번 발견을 이끈 팀의 일원인 마이크 발로우는 "오랫동안 초신성 1987A의 가스와 먼지 속에서 중성자별에 대한 증거를 찾고 있었습니다."라고 말했습니다. "마침내 우리가 찾던 증거를 찾았습니다."
참고 동영상 : https://cdn.jwplayer.com/previews/as3letI3
Cannibal star has 'metal scar' from planets it is devouring
The European Southern Observatory’s Very Large Telescope has detected "a scar imprinted on the surface" of white dwarf star WD 0816-310. Credit: ESO
cdn.jwplayer.com
중성자 별은 어떻게 40년 동안 숨어 있을까요?
중성자별은 거대한 별이 중심부에서 핵융합이 일어나는 데 필요한 연료 공급을 소진할 때 태어납니다. 이렇게 하면 별의 중심부에서 흘러나오는 외부 에너지가 차단되어 별이 자체 중력에 의해 붕괴되는 것을 방지할 수 있습니다.
별의 핵이 붕괴하면 엄청난 초신성 폭발이 별의 외층을 뚫고 들어가 별을 날려버립니다. 그 결과 지구의 평균 도시만큼 넓지만 질량은 태양의 1~2배 정도인 '죽은' 별이 남게 되는데, 이 별은 결국 우주에서 가장 밀도가 높은 물질인 중성자 입자로 이루어진 액체로 구성됩니다.
그러나 중성자별은 내부의 중성자 사이에서 발생하는 양자 효과로 인해 완전한 붕괴를 방지할 수 있습니다. 이러한 효과는 중성자들이 서로 뭉치는 것을 방지합니다. 이 소위 "중성자 퇴화 압력"은 항성핵의 질량이 충분하거나 중성자별이 생성된 후 더 많은 질량을 쌓으면 극복할 수 있습니다. 이렇게 되면 블랙홀이 탄생하게 됩니다(하지만 질량 최소값에 도달하지 못하면 블랙홀은 발생하지 않습니다).
과학자들은 초신성 1987A의 물체가 중성자별이라는 것을 상당히 확신해 왔지만, 적어도 17만 년 전에 우리가 보는 것처럼 이 새로 죽은 별이 블랙홀로 변하기 위해 질량을 모으지 않았을 가능성을 배제할 수 없었습니다.
"또 다른 가능성은 중성자별에 붕괴하는 물질이 축적되어 블랙홀로 붕괴했을 수 있다는 것입니다. 따라서 블랙홀은 가능한 대안 시나리오였습니다."라고 Barlow는 말했습니다. "그러나 추락하는 물질이 생성하는 스펙트럼은 우리가 보는 방출을 설명하기에 적합한 유형의 스펙트럼이 아닙니다."
허블 우주 망원경과 제임스 웹 우주 망원경으로 본 초신성 1987A.
(이미지 크레딧: 허블 우주망원경 WFPC 3/James Webb 우주망원경 NIRSpec/J. Larsson)
새로 확인된 중성자별은 신생 별이었을 때 조상 별의 죽음을 알리는 초신성 폭발 때 방출된 두꺼운 가스와 먼지로 둘러싸여 있었기 때문에 37년 동안 발견을 피할 수 있었습니다.
"초신성이 폭발 후 몇 년 동안 태양 질량의 약 절반에 해당하는 먼지를 응축했기 때문에 탐지가 어려웠습니다."라고 Barlow는 말했습니다. "이 먼지는 초신성 1987A의 중심에서 방사선을 가리는 스크린 역할을했습니다."
이 먼지는 가시광선을 차단하는 것보다 적외선을 차단하는 데 훨씬 덜 효과적입니다. 따라서 이 죽음의 장막을 뚫고 초신성 1987A의 중심부를 보기 위해 Barlow와 동료들은 JWST의 고감도 적외선 눈, 특히 망원경의 중적외선 계측기 및 근적외선 분광기를 사용했습니다.
이 숨겨진 중성자별에 대한 결정적인 증거는 초신성 1987A의 중심에서 나오는 아르곤과 황 원소의 방출과 관련이 있었습니다. 이 원소들은 이온화되어 원자에서 전자가 제거된 상태입니다. 발로는 이러한 이온화는 중성자별이 방출하는 방사선으로 인해 일어날 수 있다고 말했습니다.
연구팀은 이 방출을 통해 한때 숨겨져 있던 중성자별의 밝기나 광도에 한계를 설정할 수 있었습니다. 연구팀은 태양 밝기의 10분의 1 정도라고 판단했습니다. 초신성 1987A가 중성자별을 탄생시켰다고 판단했지만, 아직 이 중성자별에 대한 모든 미스터리가 풀린 것은 아닙니다.
스모킹 건으로 작용한 아르곤과 황의 이온화는 중성자별이 두 가지 방법 중 하나로 발생했을 수 있기 때문입니다. 빠르게 회전하는 중성자별에 의해 광속에 가까운 속도로 가속되어 끌려온 하전 입자의 바람이 주변 초신성 물질과 상호 작용하여 이온화를 일으켰을 수 있습니다. 또는 뜨거운 중성자별의 백만도 표면에서 방출되는 자외선과 X-선 빛이 이 항성 잔해의 중심부에 있는 원자로부터 전자를 제거했을 수도 있습니다.
전자의 시나리오가 맞다면, 초신성 1987A의 중심부에 있는 중성자별은 실제로 펄서 바람 성운에 둘러싸인 펄서입니다. 펄서는 거의 회전하는 중성자 별입니다. 그러나 후자의 시나리오가 이러한 방출에 대한 올바른 조리법이라면, 이 가까운 초신성은 표면이 우주에 직접 노출되는 "맨" 또는 "벌거벗은" 중성자 별을 탄생시켰습니다.
Barlow는 연구자들이 JWST의 NIRSpec 장비로 초신성 1987A의 중심부를 추가로 적외선 관측하여 벌거 벗은 중성자 별과 펄서 바람 성운으로 옷을 입은 별을 구별 할 수 있다고 제안했습니다.
"우리는 지금 데이터를 수집하는 프로그램을 가지고 있으며, 근적외선 해상도가 3~4배 높은 데이터를 얻을 것입니다."라고 그는 결론지었습니다. "따라서 이러한 새로운 데이터를 얻으면 중성자별에 의한 방출을 설명하기 위해 제안된 두 지 모델을 구분할 수 있을 것입니다."
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