새로운 종류의 우주 폭발 발견

감마선 폭발(Gamma Ray Burst)은 몇 초에서 수백 초 동안 우주의 모든 별빛을 합한 만큼 매우 밝은 빛으로 반짝이는 천체로, 별이 특별하게 죽으면서 폭발할 때 생기는 현상입니다.

지금까지는 태양보다 수십 배 무거운 별이 죽거나 또는 중성자별 두 개가 충돌할 때 일어나는 두 종류의 감마선 폭발만 알려져 있었습니다.

임명신 서울대 교수와 박수종 경희대 교수가 이끄는 초기우주천체연구단 연구원 등 국내 연구진 6명이 포함된 10개국 34명의 국제공동연구팀은 새로운 형태의 우주 폭발현상을 발견했습니다.

특히 이번 연구에는 서울대와 경희대가 공동 개발한 시퀸(CQUEAN)카메라를 이용해 얻은 관측 자료가 큰 기여를 했습니다.

이번에 발견된 새로운 종류의 감마선 폭발은 별이 특별하게 죽을 때 생기는 현상으로 밝혀졌습니다.

국제공동연구팀은 NASA의 스위프트 위성을 사용하여 지난해 12월 25일 약 43억 광년 떨어진 곳에서 일어난 특이한 감마선 폭발을 발견하고 이를 'GRB 101225A'로 명명했습니다.

GRB 101225A의 상상도 : 중앙에 있는 넓게 퍼진 것이 사진 윗부분에서 침투한 중성자별에 의하여 흐트러진 별의 대기이며 그림 정중앙에는 헬륨으로 이루어진 별의 중심핵과 중성자별의 충돌이 이루어지면서 물질 다발이 제트가 퍼져나가는 모습이 보인다. 제트는 별 중심에서 바깥으로 퍼져나가다가 흐트러진 별의 대기를 만나 뜨거운 빛을 발하게 된다. (그림제작: A. Simonnet, NASA/EPO, 소노마 주립대학교)

임명신, 박수종 교수 연구팀은 GRB 101225A를 발견한 직후 이 천체를 가시광선과 근적외선에서 관측하고 특성을 살펴본 결과 이는 1990년대 후반부터 이론적으로만 예측되어왔던 새로운 종류의 감마선 폭발임을 확인했습니다.

연구진이 포착한 GRB 101225A, “크리스마스 날 폭발”의 모습 : 우리나라 연구진이 시퀸 카메라를 이용하여 포착한 GRB 101225A의 모습. 사진 중앙에 있는 푸른색 점이 그것이다. 망원경은 미국 맥도날드 천문대 2.1m 망원경을 사용하였으며, 크리스마스 날 저녁식사 파티가 끝나자마자 급박하게 관측이 이루어졌다.

감마선 폭발은 보통 몇 초에서 수백 초간만 지속되지만, GRB 101225A는 30분 이상 지속됐습니다.

그리고 가시광선과 근적외선 자료로부터 GRB 101225A가 다른 감마선 폭발과는 달리 수만 도에서 시작하여 수천 도까지 식어가는 빛의 스펙트럼을 가지고 있음을 확인했습니다.

이것은 이론적으로만 예측했던 새로운 감마선 폭발의 모습과 같았습니다.

이번 연구는 별이 매우 다양한 형태로 죽음을 맞이할 수 있다는 새로운 사실을 보여주고 있습니다.

천문학 교과서에는 별들이 죽을 때 초신성 폭발을 한 후 블랙홀이나 중성자별로 남거나 차츰 식어서 백색왜성이 되는 것으로 나옵니다.

그러나 연구팀이 이번에 관찰된 새로운 감마선 폭발 현상을 분석한 결과, 초신성 폭발 후 생긴 중성자별이 옆에 있는 다른 별의 내부를 휘젓다가 또 다른 폭발을 유발할 수 있고, 폭발 후 남은 천체는 블랙홀이 되었을 것으로 추정하고 있습니다.

즉, 별은 중성자 별로 변한 후 더 이상 진화하지 않는 것이 아니라, 조건만 맞으면 블랙홀로 변할 수도 있다는 것입니다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처(Nature)'지에 12월 1일자로 발표됐습니다.

(논문명: The unusual gamma-ray burst GRB 101225A from a helium star/neutron star merger at redshift 0.33)

맥도날드 천문대 2.1m망원경과 시퀸 카메라(망원경 하단에 위치).

 용 어 설 명

감마선 폭발(Gamma Ray Burst) :
몇 초에서 수백 초 동안 우주의 모든 별빛을 합한 만큼 매우 밝은 빛으로 반짝이는 천체로, 별이 특별하게 죽으면서 폭발할 때 생기는 현상으로 알려져 있음

초신성(超新星) :
늙은 별이 폭발하면서 막대한 양의 에너지를 뿜어내는 현상. 사실상 별의 마지막 모습이지만 마치 새로 생겨난 밝은 별처럼 보여 '초신성'이라고 부름

백색왜성(白色矮星) :
태양 정도의 질량을 지닌 항성이 죽어가며 생성하는 천체

<연 구 개 요> The unusual gamma-ray burst GRB 101225A from a helium star/neutron star merger at redshift 0.33 C.C. Thone et al. (Nature, 480, pp72-74 ? 2011. 12.1. 출판) 감마선 폭발(Gamma-Ray Burst; GRB)이란 별이 특이하게 죽음을 맞이하는 순간에 생기는 현상이며, 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이하냐 이상이냐에 따라 감마선 폭발은 짧은 감마선 폭발(short GRB)과 긴 감마선 폭발(long GRB)로 나누어진다. 이 중 긴 감마선 폭발은 무거운 별이 죽으면서 폭발하는 제1b형 또는 제1c형 초신성과 연관이 있는 것으로 알려져 있다. 감마선 폭발 때 발생하는 상대론적 제트(relativistic jet; 광속에 가까운 속도로 매우 빠르게 퍼지는 물질 다발)가 주변 물질들과 상호작용을 하면서 비 열적 복사(non-thermal radiation)인 싱크로트론 방사가 일어나면 그것이 감마선 폭발 잔광으로 X-선, 가시광선, 근적외선 등 다양한 파장에서 관측이 된다. 일반적으로 긴 감마선 폭발은 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이상에서 수백 초이나 잔광의 경우 몇 주 이상씩 관측되기도 한다. 이러한 감마선 폭발들의 대부분은 2004년 11월에 발사되었던 NASA의 Swift위성에 의해서 발견되고 있으며, 감마선 폭발 발견 즉시 관심 있는 천문학자들에게 그 사실이 알려진다. 그렇게 하여 세계 곳곳의 망원경을 사용한 감마선 폭발의 잔광 후속관측이 이루어지게 된다.   이번 연구 대상인 GRB 101225A는 2010년 크리스마스 날에 Swift위성에 의하여 발견되었다. 발견당시 감마선 폭발이 30분 이상이나 오랫동안 지속되는 매우 특이한 모습을 보였다. 또한 Swift위성과 지상망원경을 이용한 후속관측 결과 이 감마선 폭발의 잔광은 일반적인 감마선 폭발에서 나타나는 싱크로트론 방사와는 달리, X-선과 가시광선/근적외선에서 흑체복사라는 열적 복사의 법칙을 따르고 있음을 알 수 있었다. 처음에는 수만 도였다가 그 후 10일 동안 점점 커지면서 식어가는 물체에서 나타나는 흑체복사가 관측되었다. 감마선 폭발 10일이 지난 후에는 희미한 초신성의 빛이 나타나기 시작하였다. 이 초신성의 스펙트럼 모양으로부터, GRB 101225A는 적색이동이 0.33에 나타난 천체라는 사실을 알 수 있었다. 또한 후속관측결과 GRB 101225A가 나타난 자리에 희미한 은하가 있는 것도 알 수 있었다. 다른 감마선 폭발천체와 구별이 되는 여러 관측사실로부터 GRB 101225A는 흑체복사를 하는 잔광을 가지면서 희미한 초신성을 동반하는 새로운 유형의 감마선 폭발이라는 결론을 얻게 되었다.   국제공동연구팀은 이 현상이 헬륨별(별이 진화하여 그 중심핵이 헬륨으로 이루어진 별)과 중성자별이 합병하여 생긴 것이라는 설명을 제시하였다. 중성자별과 헬륨별로 이루어진 쌍성에서 중성자별이 헬륨별 속으로 떨어질 때, 수소로 이루어진 헬륨별의 대기가 별 주변으로 흩어졌고, 급기야 중성자별과 헬륨별이 합병하는 과정에서 강한 감마선 폭발과 함께 제트가 뿜어져 나오게 된다. 이 제트가 헬륨별의 흩어진 가스를 가열하면서 폭발 직후 초기에는 고온의 열적복사가 일어나다가 가스가 팽창하면서 그 온도가 서서히 식어간다. 이러한 폭발은 초신성을 동반하지만, 헬륨핵과 중성자별과의 충돌과정에서는 초신성 주 에너지원인 니켈과 같은 무거운 방사선 물질들이 충분히 만들어지지 못하기 때문에 일반적인 초신성보다는 훨씬 어두운 초신성이 나타나는 것이다. 이러한 이론은 1990년대 말 이미 제안이 되어 있었지만 이제야 이론들이 예측했었던 종류의 감마선 폭발을 발견한 것이다. 즉 별이 죽는 새로운 모습을 알아냈다는 점에서 이 연구의 의의가 크다고 할 수 있다.     임명신, 박수종 교수 연구팀은 이 연구에 사용된 여러 지상 후속관측자료 중 가장 이른 시간대의 가시광선 및 근적외선 자료를 확보하여 GRB 101225A의 초기 성질을 규명하는 데 중요한 역할을 하였다. 이 자료가 있음으로 인하여 GRB 101225A는 발생 직후부터 열적복사로 이루어진 잔광을 가지고 있었다는 사실을 알 수 있었던 것이다. 이 관측은 미국 텍사스 주 맥도날드 천문대의 2.1m에 설치된 CQUEAN이라고 하는 관측기기를 이용하여 이루어졌는데, CQUEAN은 국내대학연구진이 단독으로 개발하여 해외천문대에 설치하고 있는 관측기기이다. 크리스마스 날에도 해외에서 관측에 임하여 준 관측자들(박원기 박사, 최창수 연구원-서울대, 정현주 연구원, 임주희 연구원-경희대)이 있었기에 감마선 폭발 발생 직후 타 그룹들에 앞서 중요한 관측 자료를 확보하여 이 연구에 기여할 수 있었다.

<감마선 폭발(Gamma-Ray Burst)>     우주에서 일어나는 가장 강력한 폭발현상이며 별의 죽음과 밀접한 관계가 있다는 것이 알려져 있다. 순간적인 밝기가 우주 전체의 별빛을 모두 합친 것에 필적할 만큼 매우 강한 빛을 감마선에서 발한다. 1960년대 후반 소련(현 러시아)의 비밀 핵실험을 탐지하기 위하여 미국이 발사한 인공위성이 우주에서 발생하는 감마선 폭발들을 최초로 발견하였다. 보통 감마선 폭발은 수초에서 수백 초의 짧은 기간 동안 지속되며, 그 후 X-선, 가시광선, 전파 등 다양한 파장에서 밝은 빛이 보이는 것을 감마선 폭발 잔광이라고 부른다. 이러한 잔광은 몇 시간 만에 사라지기도 하지만 몇 달씩 관측이 가능한 경우도 있다. 이 잔광은 감마선 폭발 시 생긴 제트(속도가 광속에 가까운 물질다발)가 주변 성간물질과 충돌할 때 나온다고 알려져 있으며, 이 때 나오는 잔광의 스펙트럼은 소위 "싱크로트론"방사라고 하는 밋밋한 모양이다.  감마선 폭발은 무거운 별이 죽는 순간 또는 두 개의 중성별의 충돌 시 이러한 폭발이 일어난다고 알려져 있었으나, 이번 연구는 새로운 종류의 감마선 폭발을 발견한 것이다. 잔광의 스펙트럼이 싱크로트론 방사가 아닌 온도를 가진 물체에서 흔히 나오는 "흑체복사"라는 것과 감마선 폭발이 수십 분 지속된 것으로부터 GRB 101225A는 이미 한 번 먼 옛날 폭발을 겪은 중성자별이 그 옆에 있는 보통 별 내부를 휘젓다가 또 다시 폭발 현상을 일으킨 것으로 밝혀낸 것이다. 이 해석 말고도 GRB 101225A는 우리와 가까운 곳에 있는 중성자별에 혜성이 떨어지면서 생긴 현상이라고 해석하는 연구결과도 같은 호 네이처지에 발표되었다.

※ 시퀸(CQUEAN) 카메라

시퀸(CQUEAN)은 Camera for QUasars in EArly uNivers의 약자로, 경희대학교 박수종 교수와 서울대학교 공동연구진이 개발한 천체관측용 카메라이다.
시퀸은 0.8-1.1 마이크로미터에 해당하는 근적외선 파장에서 기존의 천문연구용 카메라보다 3-4배 더 높은 감도를 자랑한다.
연구단의 주요 연구대상인 100억 년 전에 존재하였던 초기우주 퀘이사들을 잘 관측할 수 있는 파장이 근적외선 파장이기 때문에 이런 기능을 갖추었다.
그 외에도 넓은 시야를 관측하기 위한 광각렌즈시스템, 긴 노출시간으로 천체를 촬영하기 위한 천체추적시스템 등을 갖추고 있다.
2010년 8월에 미국 맥도날드 천문대 2.1m 망원경에 시퀸을 설치하였고 그 후 이를 이용한 초기우주 퀘이사 탐사와 감마선 폭발 천체 및 외부은하의 관측이 진행 중이다.
그동안 출연연구소에서 주로 개발되고 있던 천문관측기기를 대학교 연구진들만의 힘으로 하였다는 점, 그리고 천문관측 기상조건이 좋은 해외천문대에 기기를 설치하여 그 성능을 극대화하고 있다는 점 등이 특기할 만하다.   

 
※동영상 자료 <http://astro.snu.ac.kr/~mim/xmas/>

1. CB_video_2011_1126.mov: GRB 101225A의 밝기와 온도가 시시각각 변하는 모습을 그래프와 함께 보여주는 동영상.
2. GRX_OT_preliminary.mov: GRB 101225A의 밝기가 변하는 모습을 보여주는 동영상
3. He-NS_starmerger.mov: GRB 101225A의 생성기작을 보여주는 동영상(미국 NASA제작)
4. GRX_movie_small_2011_1125.mov: GRB 101225A의 관측내용, 생성기작 등을 종합적으로 보여주는 동영상(미국 NASA제작)