역사상 가장 밝은 감마선 폭발은 거대한 별의 붕괴로 인해 발생했습니다.

2022년 10월, 노스웨스턴 대학교 천체물리학자를 포함한 국제 연구진이 지금까지 기록된 가장 밝은 감마선 폭발(GRB)인 GRB 221009A를 관찰했습니다.

이제 노스웨스턴이 ​​주도하는 팀은 BOAT(“역사상 가장 밝은”)라고 불리는 역사적인 폭발의 원인이 되는 현상이 거대한 별의 붕괴와 그에 따른 폭발임을 확인했습니다. 연구팀은 NASA의 JWST(James Webb Space Telescope)를 사용하여 폭발, 즉 초신성을 발견했습니다.

이 발견으로 하나의 미스터리가 해결되는 동안 또 다른 미스터리가 심화됩니다.

연구자들은 새로 발견된 초신성 안에 백금이나 금과 같은 무거운 원소의 증거가 있을 수 있다고 추측했습니다. 그러나 광범위한 검색에서는 그러한 요소를 수반하는 서명을 찾지 못했습니다. 우주에 있는 무거운 원소의 기원은 계속해서 천문학의 가장 큰 미해결 질문 중 하나로 남아 있습니다.

해당 연구는 금요일(4월 12일) 저널에 게재될 예정입니다. 자연 천문학.

이번 연구를 이끈 노스웨스턴 대학교의 피터 블랜차드(Peter Blanchard)는 “거대한 별의 붕괴로 GRB가 생성되었다는 사실을 확인했을 때 우주에서 가장 무거운 원소가 어떻게 형성되는지에 대한 가설을 테스트할 수 있는 기회를 얻었습니다”라고 말했습니다. “우리는 이러한 무거운 원소의 흔적을 보지 못했습니다. 이는 BOAT와 같은 극도로 에너지가 넘치는 GRB가 이러한 원소를 생성하지 않는다는 것을 암시합니다. 그렇다고 모든 GRB가 이러한 원소를 생성하지 않는다는 의미는 아니지만, 이는 우리가 계속해서 이해하고 있는 핵심 정보입니다. 이러한 무거운 원소는 어디에서 오는가? JWST를 통한 향후 관찰을 통해 BOAT의 ‘정상’ 사촌이 이러한 원소를 생산하는지 여부가 결정될 것입니다.”

Blanchard는 노스웨스턴 천체물리학 학제간 탐사 및 연구 센터(CIERA)의 박사후 연구원으로 초광성 초신성과 GRB를 연구하고 있습니다. 이 연구에는 Center for Astrophysics | 하버드 & 스미소니언; 유타대학교; 펜 스테이트; 캘리포니아 대학교 버클리; 네덜란드의 Radbound 대학; 우주망원경과학연구소; 애리조나대학교/스튜어드 천문대; 캘리포니아대학교, 산타바바라; 컬럼비아 대학교; 플랫아이언 연구소; 그라이프스발트 대학교와 구엘프 대학교.

보트의 탄생

2022년 10월 9일 그 빛이 지구를 덮쳤을 때 BOAT는 너무 밝아서 세계 감마선 탐지기 대부분을 포화시켰습니다. 강력한 폭발은 지구로부터 약 24억 광년 떨어진 궁수자리 방향으로 발생했으며 지속 시간은 수백 초 동안 지속되었습니다. 천문학자들은 이 놀라울 정도로 밝은 현상의 기원을 관찰하기 위해 안간힘을 썼고, 즉시 경외감을 느꼈습니다.

노스웨스턴 와인버그 물리학 및 천문학 부교수 Wen-fai Fong은 “우리가 GRB를 탐지할 수 있는 한 이 GRB가 우리가 지금까지 목격한 것 중 10배 이상 가장 밝다는 점에는 의심의 여지가 없습니다.”라고 말했습니다. 당시 예술과학대학 CIERA 회원이 말했다.

“이번 사건은 감마선을 탐지하도록 설계된 위성이 기록한 것 중 가장 높은 에너지의 광자를 생성했습니다”라고 Blanchard는 말했습니다. “이것은 지구에서 10,000년에 한 번만 볼 수 있는 사건이었습니다. 우주 전역에서 일어나는 이러한 폭발을 감지할 수 있는 기술이 있는 시대에 살고 있다는 것은 행운입니다. BOAT와 같은 희귀한 천문 현상을 관찰하는 것은 매우 흥미롭습니다. 이 예외적인 사건 뒤에 숨은 물리학을 이해하기 위해 노력하세요.”

‘정상적인’ 초신성

이벤트를 즉시 관찰하기보다는 Blanchard와 그의 긴밀한 협력자인 Harvard University의 Ashley Villar 및 그들의 팀은 GRB의 후기 단계를 보고 싶어했습니다. GRB가 처음 감지된 지 약 6개월 후 Blanchard는 JWST를 사용하여 그 여파를 조사했습니다.

블랜차드는 “GRB는 너무 밝아서 폭발 후 첫 주와 몇 달 동안 잠재적인 초신성의 특징을 모호하게 만들었다”고 말했다. “이때 소위 GRB의 잔광은 마치 직진하는 자동차의 헤드라이트와 같아서 자동차 자체를 볼 수 없게 했습니다. 그래서 우리는 우리에게 기회를 주기 위해 그것이 상당히 희미해질 때까지 기다려야 했습니다. 초신성을 보고 있어.”

Blanchard는 JWST의 근적외선 분광기를 사용하여 적외선 파장에서 물체의 빛을 관찰했습니다. 그때 그는 초신성에서 일반적으로 발견되는 칼슘과 산소 같은 원소의 특징적인 특징을 보았습니다. 놀랍게도 함께 제공되는 엄청나게 밝은 GRB처럼 유난히 밝지는 않았습니다.

블랜차드는 “이전의 초신성보다 더 밝지는 않다”고 말했다. “에너지가 덜한 GRB와 관련된 다른 초신성의 맥락에서 볼 때 이것은 상당히 정상적인 것처럼 보입니다. 매우 에너지가 넘치고 밝은 GRB를 생성하는 동일한 붕괴 별이 또한 매우 에너지가 넘치고 밝은 초신성을 생성할 것이라고 기대할 수도 있습니다. 그러나 사실은 그렇지 않은 것으로 나타났습니다. . 우리는 극도로 빛나는 GRB를 가지고 있지만 이는 평범한 초신성입니다.”

누락: 무거운 요소

처음으로 초신성의 존재를 확인한 후 블랜차드와 그의 동료들은 초신성 안에 무거운 원소가 있다는 증거를 찾았습니다. 현재 천체 물리학자들은 철보다 무거운 원소를 생성할 수 있는 우주의 모든 메커니즘에 대한 불완전한 그림을 가지고 있습니다.

무거운 원소를 생산하는 주요 메커니즘인 신속한 중성자 포획 과정에는 높은 농도의 중성자가 필요합니다. 지금까지 천체물리학자들은 2017년 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)가 감지한 충돌인 두 중성자별의 합병에서 이 과정을 통해 중원소가 생성된다는 사실만 확인했습니다. 그러나 과학자들은 생성할 수 있는 다른 방법이 있어야 한다고 말합니다. 이 구하기 힘든 재료들. 우주에는 무거운 원소가 너무 많고 중성자별 합병은 너무 적습니다.

블랜차드는 “다른 출처가 있을 가능성이 크다”고 말했다. “쌍성 중성자별이 합쳐지는 데는 매우 오랜 시간이 걸립니다. 쌍성계의 두 별이 중성자별을 남기려면 먼저 폭발해야 합니다. 그런 다음 두 중성자별이 천천히 가까워지고 서로 가까워지는 데는 수십억 년이 걸릴 수 있습니다. 그러나 아주 오래된 별을 관찰한 결과 대부분의 쌍성 중성자별이 합쳐질 시간을 갖기도 전에 우주의 일부가 중금속으로 풍부해졌음을 알 수 있습니다. 이는 우리에게 대체 경로를 알려주는 것입니다.”

천체 물리학자들은 BOAT를 생성한 정확한 유형의 별인 빠르게 회전하는 거대한 별의 붕괴로 무거운 원소가 생성될 수도 있다는 가설을 세웠습니다. JWST에서 얻은 적외선 스펙트럼을 사용하여 Blanchard는 초신성의 내부 층을 연구했습니다. 무거운 원소가 형성되어야 합니다.

블랜차드는 “별의 폭발한 물질은 초기에는 불투명하기 때문에 바깥층만 볼 수 있다”고 말했다. “하지만 일단 팽창하고 냉각되면 투명해집니다. 그러면 초신성의 내부 층에서 나오는 광자를 볼 수 있습니다.”

더욱이, 서로 다른 원소는 원자 구조에 따라 서로 다른 파장에서 광자를 흡수하고 방출하여 각 원소에 고유한 스펙트럼 특성을 부여한다고 Blanchard는 설명했습니다. “따라서 물체의 스펙트럼을 보면 어떤 원소가 존재하는지 알 수 있습니다. BOAT의 스펙트럼을 조사한 결과 무거운 원소의 흔적은 발견되지 않았으며 이는 GRB 221009A와 같은 극한 현상이 주요 원인이 아니라는 것을 암시합니다. 이는 계속해서 중요한 정보입니다. 가장 무거운 원소가 형성되는 곳을 찾아내려는 것입니다.”

왜 그렇게 밝아?

초신성의 빛과 그 이전의 밝은 잔광의 빛을 분리하기 위해 연구자들은 JWST 데이터를 칠레의 ALMA(Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) 관측 결과와 결합했습니다.

“폭발이 발견된 지 몇 달이 지난 후에도 잔광은 JWST 스펙트럼에서 많은 빛을 제공할 만큼 충분히 밝았습니다”라고 유타 대학교 물리학 및 천문학 조교수이자 이번 연구의 공동 저자인 탄모이 라스카르(Tanmoy Laskar)는 말했습니다. 공부하다. “두 망원경의 데이터를 결합하면 JWST 관측 당시 잔광이 얼마나 밝았는지 정확하게 측정하고 초신성의 스펙트럼을 신중하게 추출할 수 있었습니다.”

천체물리학자들은 동일한 붕괴별에서 어떻게 “정상적인” 초신성과 기록적인 GRB가 어떻게 생성되었는지 아직 밝혀내지 못했지만 Laskar는 이것이 상대론적 제트의 모양 및 구조와 관련이 있을 수 있다고 말했습니다. 빠르게 회전할 때 거대한 별은 블랙홀로 붕괴되어 빛의 속도에 가까운 속도로 발사되는 물질 제트를 생성합니다. 이러한 제트가 좁으면 더 집중되고 더 밝은 광선을 생성합니다.

“이것은 전체 벽을 가로질러 씻어내는 넓은 광선과는 대조적으로 좁은 기둥에 손전등의 광선을 집중시키는 것과 같습니다”라고 Laskar는 말했습니다. “사실 이것은 지금까지 감마선 폭발에서 볼 수 있었던 가장 좁은 제트 중 하나였으며, 이는 잔광이 왜 그렇게 밝게 나타나는지에 대한 힌트를 제공합니다. 또한 책임이 있는 다른 요인이 있을 수 있습니다. 연구자들은 앞으로 몇 년 동안 연구를 하게 될 것입니다.”

BOAT가 발생한 은하계에 대한 향후 연구에서도 추가 단서가 나올 수 있습니다. “BOAT 자체의 스펙트럼 외에도 우리는 ‘주체’ 은하의 스펙트럼도 얻었습니다.”라고 Blanchard는 말했습니다. “스펙트럼은 강렬한 별 형성의 징후를 보여주며, 이는 원래 별의 탄생 환경이 이전 사건과 다를 수 있음을 암시합니다.”

Penn State의 대학원생인 팀원 Yijia Li는 은하의 스펙트럼을 모델링하여 BOAT의 호스트 은하가 ​​이전의 모든 GRB 호스트 은하 중 수소와 헬륨보다 무거운 원소의 풍부함을 측정하는 가장 낮은 금속성을 가지고 있음을 발견했습니다. “이것은 BOAT의 특성을 설명하는 데 도움이 될 수 있는 또 다른 독특한 측면입니다”라고 Li는 말했습니다.

“r-프로세스 서명 없이 GRB 221009A와 관련된 초신성의 JWST 탐지”라는 연구는 NASA(수상 번호 JWST-GO-2784)와 미국 국립과학재단(수상 번호 AST-2108676 및 AST-2002577)의 지원을 받았습니다. . 이 작업은 NASA/ESA/CSA James Webb 우주 망원경으로 이루어진 관측을 기반으로 합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240412113410.htm