30광년 떨어진 곳에서 별이 폭발합니다. 이별은 몇 달 동안 보름달보다 10,000배 더 밝게 빛납니다 . 너무 밝아서 낮에는 태양이 다른 태양과 합쳐져 100분의 1의 열과 빛을 방출하는 것처럼 보입니다.
좋은 소식은 이 시나리오가 발생하지 않을 것이기 때문에 오늘 밤 편안하게 잠을 잘 수 있다는 것입니다. 지구상의 생명체는 그러한 사건으로부터 안전합니다. 이전에 알려진 어떤 항성 폭발보다 최대 100배 더 강력한 초광성 초신성은 매우 드물 뿐만 아니라 우리 은하와 상당히 다른 은하에서 폭발하는 것으로 보입니다.
1931년, Fritz Zwicky 와 Walter Baade는 Pasadena의 California Institute of Technology에서 일하면서 폭발하는 별 또는 '신성'에 대해 놀라운 주장을 했습니다. 그들의 연구는 8년 전 세계에서 가장 큰 망원경(윌슨 산에 있는 2.5m 후커 망원경, 칼텍이 내려다보임)을 사용하여 신비한 나선 성운이 실제로 존재한다는 것을 보여주었던 에드윈 허블(Edwin Hubble)의 발견에 기반을 두고 있습니다. 은하계 – 은하수와 수백만 광년 떨어져 있는 별들의 거대한 섬.
Zwicky와 Baade는 때때로 그러한 은하는 1000억 개의 일반 별을 능가할 수 있는 항성 폭발을 호스팅한다는 사실을 알아냈습니다. 그러한 폭발이 우리 은하의 폭발보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있다는 사실을 알고 있던 두 천문학자는 이 폭발이 표준 신성보다 약 1천만 배 더 밝은 '초신성'이라고 불리는 새로운 종류에 속한다고 결론지었습니다.
초광성(초발광) 초신성(Superluminous Supernovae)이란?
최근 광도의 도약은 1000만 배만큼 크지는 않지만 여전히 인상적입니다. 초광성 초신성은 Ia형 초신성보다 약 10배 더 밝습니다. 이 초신성은 동반성에서 온 물질에 휩싸인 백색 왜성(지구 크기의 작은 별 잔해)의 별을 부수는 폭발에 의해 구동됩니다. 그리고 그것은 다른 주요 유형의 초신성인 II형 초신성보다 약 100배 더 강력합니다. 이 초신성은 수명이 다했을 때 무거운 별의 핵이 폭발하면서 동력을 얻습니다.
최초의 초광성 초신성은 2005년에 발견되었으며 주로 샌디에이고 주립 대학의 로버트 큄비 교수의 연구에 의해 2011년에 별개의 항성 폭발 등급으로 널리 인식되었습니다.
그들의 존재는 천문학계에 큰 충격으로 다가왔습니다. 버밍엄 대학의 매트 니콜(Matt Nicholl) 박사 는 “우리는 모든 종류의 폭발하는 별을 발견했다고 생각 했습니다. "세상에서 가장 밝은 것을 어떻게 놓쳤습니까?"
초광성 초신성이 21세기까지 주목받지 못한 한 가지 이유는 초신성 10,000개 중 약 1개를 차지할 정도로 극히 드물기 때문입니다. 또 다른 이유는 망원경으로 초신성 탐색이 큰 은하에 집중하는 경향이 있기 때문입니다. 천문학자들은 은하에 별이 많을수록 초신성이 될 가능성이 더 높다고 추론합니다.
그러나 자연은 다른 생각을 가지고 있었습니다. 그것은 초광성 초신성을 왜소 은하에 넣었습니다. Nicholl은 "광시야를 가진 로봇 망원경의 출현으로 인해 왜소은하가 그물에 걸렸습니다."라고 설명합니다. “일단 그것이 일어나기 시작하자 우리는 초광성 초신성을 발견했습니다. 지금까지 약 100개 정도가 발견되었습니다.”
초광성 초신성의 원인은 무엇입니까?
어떤 종류의 별들이 그러한 우주적 거대 폭발로 폭발하고 있습니까? 가장 큰 단서는 폭발의 스펙트럼에서 나옵니다. 빛이 에너지 또는 등가 주파수에 따라 변하는 방식입니다. 천문학자들은 탄소, 산소, 네온과 같은 무거운 원소의 스펙트럼 지문을 볼 수 있지만 가장 가벼운 두 원소인 수소와 헬륨은 볼 수 없습니다. 이것이 의미하는 바를 이해하려면 별의 진화에 대해 이해할 필요가 있습니다.
태양과 같은 별은 수소 원자의 핵 또는 핵을 융합하여 헬륨을 만들고 부산물은 햇빛입니다. 그러나 태양보다 8배에서 25배 더 무거운 별에서는 중심핵의 상태가 충분히 조밀해지고 뜨거워져 헬륨을 탄소로, 탄소를 산소로, 산소를 네온으로 융합하는 등의 방식으로 융합할 수 있습니다. 잠재적으로 그러한 핵융합 반응은 철까지 진행될 수 있으며, 이 지점에서 더 이상 열을 생성하지 않습니다(핵심의 뜨거운 가스는 더 이상 중력이 핵을 부수는 것을 막을 수 없으며 즉시 폭발합니다).
그 결과 양파와 같은 구조를 가진 별이 탄생했습니다. 가장 무거운 원소는 중심핵에 있으며, 각각의 연속적인 층에는 가벼운 원소가 포함되어 있으며, 헬륨에서 정점에 이르고 마지막으로 외부 맨틀에서 수소가 됩니다. Nicholl은 "어떤 이유로든 초광성 초신성으로 폭발하는 별들은 이 수소와 헬륨을 잃어버렸습니다."라고 말했습니다.
별이 외부 맨틀인 수소와 헬륨을 제거하는 분명한 방법은 항성풍을 통하는 것인데, 이는 태양에서 불어오는 1,000,000mph의 태양풍과 비슷하지만 훨씬 더 강력합니다.
문제는 항성풍이 수소 및 헬륨 맨틀과 혼합된 무거운 원소가 흩어져 있는 별에서 더 강하다는 것입니다. 그러나 초광성 초신성의 전구체가 위치한 저질량 은하는 그러한 원소가 부족합니다. 이것은 기본적으로 은하의 약한 중력이 이전 세대의 별에서 만들어지고 일반 초신성에 의해 우주로 날아간 무거운 원소에 매달릴 수 없었기 때문입니다.
별이 수소와 헬륨 맨틀을 제거하는 또 다른 방법은 가까운 쌍성계에 있고 무거운 동반성의 중력으로 인해 별이 벗겨지는 경우입니다. Nicholl은 "이것이 가장 가능성이 높은 것 같습니다."라고 말합니다.
폭발 동력은 어디에서 오는가?
이 거대한 항성 폭발의 동력은 무엇입니까? 명백한 가능성은 그것들이 궁극적으로 중력 에너지를 동력원으로하는 표준 초신성의 단순한 버전일 뿐이라는 것입니다.
중력 에너지를 이해하려면 지붕에서 바닥으로 떨어지는 슬레이트를 생각해 보세요. 슬레이트의 중력 위치 에너지(지구 중력장의 높이로 인해 갖는 에너지)는 운동, 소리 및 열 에너지로 변환됩니다. 유사하게, 별의 핵이 내파되면 무수한 1000조 개의 석판이 떨어지는 것과 같으며 엄청난 양의 중력 에너지가 발생하여 엄청난 양의 열로 변환됩니다. 아이러니하게도 폭발을 일으키는 것은 내파입니다!
초광성 초신성에서 스펙트럼은 5에서 20 태양 질량 사이의 산소가 분출된다는 것을 보여줍니다. 이에 비해 Ic형 초신성에서는 태양 질량의 산소 2~4개가 분출되는데, 이 초신성은 수소와 헬륨이 제거된 표준 별에서 발생합니다.
그 의미는 별이 일반 초신성을 담당하는 별보다 기껏해야 몇 배 큰 수준이므로, 표준 폭발로 인해 10배 더 밝을 가능성은 없다는 것입니다.
초광성 초신성이 단순히 표준 초신성을 보완한 버전이 아닌 이유에 대한 핵심은 일반 초신성이 한 달 정도 밝게 유지된다는 점입니다. 왜냐하면 초신성은 폭발의 분노로 만들어진 니켈-56과 코발트-56의 방사성 붕괴에 의해 동력을 얻기 때문입니다. "초광성 초신성에 전력을 공급하려면 20 태양 질량과 같은 요소가 필요합니다."라고 Nicholl은 말합니다. "그러나, 우리는 약 20 태양 질량의 산소를 볼 수 있지만 니켈과 코발트의 동등한 양은 볼 수 없습니다."
초광량 초신성에 대한 또 다른 가능한 메커니즘은 폭발이 폭발하기 얼마 전에 별에 의해 방출된 천천히 움직이는 항성 주위 물질 껍질에 부딪혀 초당 약 10,000km의 속도로 우주를 통해 확장되는 폭발파와 관련이 있습니다. 폭발파의 급격한 감속은 분출물에 매우 효율적으로 충격을 가하여 운동 에너지를 엄청난 양의 열과 빛으로 변환합니다.
Nicholl은 "문제는 초광성 초신성의 스펙트럼에서 느리게 움직이는 물질의 증거를 볼 수 없다는 것입니다."라고 말했습니다.
이것은 초광성 초신성 엔진의 최종 후보를 남겼습니다. 핵이 줄어들면 끝점은 중성자별과 같이 매우 조밀한 물체가 됩니다. 질량이 태양과 비슷하지만 에베레스트 산만한 크기인 그러한 물체는 팔을 당기는 아이스 스케이팅 선수가 더 빨리 회전하는 것과 같은 이유로 빠르게 회전할 것으로 예상됩니다. 즉, 각운동량 보존입니다. 사실, 그러한 물체는 초당 1,000번만큼 빠르게 회전할 수 있습니다!
Nicholl은 "이러한 특별한 플라이휠은 에너지를 외부로 전달할 수 있는 방법이 있다면 초광성 초신성에 에너지를 공급하기에 충분한 회전 에너지를 가지고 있습니다."라고 말했습니다. “다행히도 있습니다.”
별의 핵이 파멸적으로 폭발할 때 별이 소유한 자기장은 엄청나게 집중되고 증폭됩니다. 중성자별은 엄청난 자기장으로 끝날 수 있습니다. 이러한 중성자별을 '자기성'이라고 합니다. 그러한 마그네타의 자기장은 10 12 (조)에서 10 15 (1,000조) 가우스(자기장을 측정하는 단위) 범위에 있을 수 있습니다. 비교를 위해 최소한의 자기장이라도 냉장고 자석보다 1000억 배 더 강합니다.
문제는 자기장이 클수록 주변 물질과 더 많이 상호 작용하고 이 상호 작용이 더 빨리 마그네타의 회전을 '제동'한다는 것입니다. Nicholl은 "초신성을 관찰한 달 동안 밝게 유지하려면 더 낮은 자기장이 필요합니다."라고 말했습니다. "약 10 13 ~ 10 14 가우스 에 스위트 스팟이 있습니다 ."
마그네타가 별에 의해 방출된 물질에 에너지를 공급하는 정확한 메커니즘은 아직 알려져 있지 않습니다. 그러나 Nicholl은 중앙 엔진으로서의 마그네타의 아이디어를 증명하거나 반증할 수 있는 방법이 있다고 말합니다. 자기장이 너무 강해서 주변 진공에서 전자-양전자 쌍을 불러낼 것이며, 그 이후의 소멸은 고에너지 빛 또는 감마선의 독특한 스파이크를 생성해야 합니다. Nicholl은 “감마선의 감소는 마그네타의 스핀다운을 정확하게 추적해야 합니다.
Quimby는 "자기 모델은 대부분의 초광성 초신성에 동력을 공급하는 데 가장 선호되는 모델이라고 생각합니다."라고 말했습니다. "일부 초신성은 중성자별의 탄생을 표시하며 그러한 짐승의 에너지 중 아주 작은 부분만 사용하면 놀라운 불꽃놀이를 만들기에 충분할 것입니다."
그러나 모든 사람이 마그네타가 초광성 초신성의 엔진이라는 데 동의하는 것은 아닙니다. 일본 국립 천문대의 모리야 다카시 박사 는 “에너지가 넘치는 초신성 분출물이 거대한 항성 주위 물질과 충돌하고 초신성 운동 에너지가 효율적으로 복사로 변환되는 메커니즘을 선호한다”고 말했다 . 그러나 그는 이렇게 시인합니다. “초신성을 극도로 밝게 만드는 단일 메커니즘은 없을 것입니다.”
초광성 초신성 탐색
최초의 100개의 초광성 초신성을 찾는 데 거의 20년이 걸렸지만 Vera C Rubin Observatory가 2023년 10월에 칠레에서 작동을 시작하면 곧 발견 속도가 빨라질 것입니다. 망원경은 밤마다 하늘 전체를 관찰할 것입니다. "이 능력은 현장을 완전히 변화시킬 것입니다."라고 Nicholl은 말합니다. "15년 안에 100개가 아니라 매년 1,000개의 초광성 초신성을 발견할 것으로 기대하고 있습니다!"
허블의 뒤를 이은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경 이 훨씬 매력적인 전망을 제공할 것입니다. 6.5m 거울(허블 수집 면적의 4.5배)을 사용하면 더 먼 거리에서 초광성 초신성을 감지할 수 있습니다. 이는 유한한 빛의 속도로 인해 더 이른 우주 시간을 의미합니다.
우주의 여명기에는 오늘날 우리가 보는 우리 은하와 같은 거대한 은하를 형성하기 위해 합쳐질 시간이 없었기 때문에 지금보다 더 많은 왜소은하가 존재하고 있었습니다. 또한 별들은 빅뱅이후 합성할 시간이 없었기 때문에 무거운 원소가 고갈되었습니다 . 그리고 빅뱅 이후에 생성된 1세대 별들이 아마도 태양 질량의 100배가 넘는 괴물이었다고 믿을 수 있는 이론적 이유가 있습니다. Nicholl은 "초광성 초신성은 초기에 더 흔했을 수 있습니다."라고 말했습니다.
이것은 흥미로운 가능성을 제기합니다. 혈액 속의 철, 뼈의 칼슘, 숨을 쉴 때마다 폐를 채우는 산소… 이 모든 것은 지구와 태양이 태어나기 전에 살았다 죽고 스스로 산산이 부서지는 별 내부에서 만들어졌습니다. 아마도 초광성 초신성은 우주의 무거운 원소의 상당 부분을 차지했을 것입니다. 이 경우 초광성 초신성의 열매를 보기 위해 멀리 볼 필요가 없을 수도 있습니다.
최초의 폭발하는 별은 약 2,000년 전에 중국 천문학자들에 의해 기록되었습니다. 그러나 천문학자들은 1931년에 이르러서야 초 폭발의 종류가 있다는 것을 깨달았고 2005년이 되어서야 초초 폭발의 종류가 있음을 깨달았습니다. 분명한 질문은 우리가 지금까지 놓친 더 큰 항성 폭발이 있다는 것입니다. "나는 그것에 반대하지 않을 것입니다."라고 Nicholl은 말합니다.
“초광성 초신성은 적어도 국부적으로 초신성에 대해 가능한 한계를 표시할 수 있습니다.”라고 Quimby가 말했습니다. "큰 예외는 초기 우주에만 존재한다고 생각되는 가상의 쌍-불안정성 초신성입니다."
130~250 태양질량의 별에서 발생할 것으로 예상되는 쌍불안정 초신성에서는 내부의 감마선이 존재하는 전자-양전자 쌍을 생성할 정도로 내부가 너무 뜨거워집니다. 이것들은 핵을 부수려고 하는 중력에 반대하는 열압을 감소시켜
재앙적인 붕괴와 별을 산산조각내는 거대한 폭발을 촉발합니다.
쌍불안정성 초신성은 초광성 초신성보다 100배 더 밝게 빛납니다. 이러한 초신성은 제임스 웹 우주 망원경으로 감지될 수 있습니다.
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