11년 2021월 120일, 가장 에너지가 풍부한 빛 형태인 감마선 광선이 NASA의 스위프트 위성에 충돌했습니다. XNUMX초 안에 위성은 폭발을 향해 회전했고 우주 재앙의 빛나는 불씨를 발견했습니다. XNUMX분 후, 전 세계 천문학자들에게 경고가 전달되었습니다.

그들 중에는 질리안 라스티네자드, 노스웨스턴 대학교 대학원생. Rastinejad와 그녀의 협력자들에게 이 감마선 폭발은 2006년의 특이한 폭발과 이상하게 유사해 보였습니다. Rastinejad는 하와이에 있는 제미니 천문대에 전화를 걸어 폭발이 발생한 하늘 조각을 깊이 응시하도록 그곳의 연구원들을 모집했습니다. 며칠 후 구름이 몰려오자 애리조나에 있는 MMT 천문대의 연구원이 임무를 맡아 XNUMX억 광년 떨어진 빛이 희미해지는 지점에서 망원경을 계속 훈련시키기 위해 최선을 다했습니다.

Rastinejad는 날씨가 그곳에서도 변하고 있다는 점을 고려하면 결코 작은 일이 아니라고 말했습니다. “그녀는 매일 새벽 4시쯤 우리를 위해 구름 속에서 구멍을 찾아냈습니다.”

일주일 정도 후에 일련의 관측이 마무리되었을 때 Rastinejad와 그녀의 동료들은 무엇이 우주 전역에 감마선을 발사했는지에 대해 꽤 좋은 아이디어를 얻었습니다. 그들이 지켜보는 동안 폭발의 여파는 점점 더 붉어졌습니다. 이는 잔해 속에서 금이나 백금과 같은 무거운 원자가 단조되고 있다는 확실한 신호였습니다. 그러한 우주 연금술의 주요 원천은 상상할 수 없을 정도로 밀도가 높은 죽은 태양의 핵인 중성자별과 관련된 충돌입니다.

유일한 문제는 그러한 결론이 불가능해 보였다는 것입니다. 중성자 별이 합쳐지면, 천체물리학자들은 모든 것이 51초도 안 되는 시간 안에 끝날 것이라고 의심합니다. 그러나 Swift는 상대적으로 긴 XNUMX초 동안 지속되는 감마선 폭격을 녹음했습니다. 이는 일반적으로 매우 다른 유형의 우주 드라마의 특징입니다.

그 이후로 천문학자들은 이와 같은 사건을 더 많이 확인했습니다. 가장 최근의 사건은 35월에 발생했는데, 이때까지 감지된 것 중 두 번째로 밝은 감마선 폭발이 XNUMX초 동안 지속되었습니다. 다시 한번, 천문학자들은 중성자별 충돌의 붉게 변하는 여파를 관찰했습니다. 그들은 또한 James Webb 우주 망원경을 모집했습니다. 기괴한 폭발을 연구하기 위해 그리고 침전된 먼지 속에 중원소 텔루르의 흔적이 발견되었습니다.

일련의 관찰은 대부분의 연구자들이 확정된 것으로 간주했던 천문학 분야에 새로운 미스터리를 가져옵니다. 빠르고 폭력적인 것으로 추정되는 이러한 사건이 그렇게 오랫동안 감마선을 폭발시키는 원인은 무엇일까요? 이는 천체물리학자들이 우주의 모든 다양한 요소의 기원을 이해하려는 보다 야심찬 목표를 달성하고자 한다면 풀어야 할 퍼즐입니다. 그 중 많은 요소는 이러한 격렬한 폭발에서 탄생합니다.

“이걸 보고 정말 기뻤어요.” 다니엘 카센, 버클리 캘리포니아 대학의 천체물리학자이자 우주 폭발을 전문으로 하는 사람입니다. "진짜 퍼즐이 생겼습니다."

냉전, 눈부신 폭발

오늘날 Swift는 며칠에 한 번씩 감마선 폭발을 포착합니다. 그러나 폭발은 냉전이 한창일 때 갑자기 나타나기 전까지는 알려지지 않았습니다. 1960년대에 미 공군은 소련이 핵무기 실험 금지를 준수하고 있는지 확인하기 위해 벨라(Vela) 위성을 발사했습니다. 만약 소련이 우주에서 핵폭탄을 터뜨린다면, 그로 인한 감마선 섬광(원자핵만큼 짧은 에너지 파동)은 숨길 수 없을 것입니다.

위성은 소련의 위반 사항을 감지하지 못했습니다. 그러나 1969년에서 1972년 사이에 그들은 16개의 신비한 섬광 로스앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 연구원들이 “우주 기원”이라고 결정한 감마선의 종류.

이후 수십 년 동안 NASA는 조사를 시작했습니다. 우주국은 전용 버스트 헌팅 위성 1991년과 그 후 3,000년 동안 거의 XNUMX번의 감마선 폭발을 감지했습니다. 이벤트는 단기와 장기의 두 가지 종류로 진행되었습니다. 대부분의 짧은 폭발은 XNUMX초 미만 동안 지속된 반면, 많은 긴 폭발은 XNUMX분 이상 지속되었습니다(두 맛 사이의 구분선은 약 XNUMX초에 나타납니다).

이러한 폭발을 일으키는 원인이 무엇이든 재앙처럼 보였습니다. 팝송이 연주되는 시간의 절반도 안 되는 시간에 그들은 우리 태양이 수십억 년에 걸쳐 생산하는 에너지만큼의 에너지를 방출합니다. 무엇이 그렇게 밝게 빛날 수 있겠습니까? 천체 물리학자들은 처음에는 확신하지 못했지만, 관련된 엄청난 에너지는 세계 종말의 대격변을 가리켰습니다. 그리고 두 가지 기간은 두 가지 유형의 재앙을 암시했습니다. 더 빠른 재앙은 약 XNUMX초 동안 지속되고 (다소) 느린 재앙은 XNUMX분 이상 지속됩니다.

천문학자들은 느린 폭발의 원인을 먼저 발견했습니다. 1990년대 후반, 연구자들은 폭발이 발생한 방향을 더 잘 찾아내면서 우주 폭발을 암시하는 잔광을 포착하기 시작했습니다. 그러다가 2003년에 근처의 잔광을 관찰하던 천문학자들이 초신성의 화려한 불꽃놀이 긴 감마선 폭발이 있은 지 불과 며칠 후: 폭발은 거대 별의 죽음의 첫 번째 단계를 알렸습니다.

더 빠른 대격변을 이해하려면 2004년이 더 걸리고 더 날카로운 도구가 필요합니다. 획기적인 장비는 NASA의 Swift 위성임이 입증되었습니다. XNUMX년에 출시된 Swift는 하늘의 넓은 범위에서 감마선을 포착할 수 있는 미터 길이의 패턴 납판을 특징으로 합니다. 결정적으로, 이 장치는 천문학적 폭발이 일어나는 방향으로 온보드 망원경 한 쌍을 신속하게 회전시킬 수 있는 독특한 능력도 갖고 있었습니다. (Swift 과학자들 사이의 전설에 따르면 이 조준 사격 기술은 비행 중에 핵 미사일을 격추하는 것을 목표로 하는 또 다른 냉전 시대 방어 프로젝트인 로널드 레이건의 전략 방어 계획(비공식적으로 "스타워즈"로 알려짐)을 위해 부분적으로 개발되었습니다. )

Swift를 사용하면 천문학자들은 이제 XNUMX분 이내에 폭발을 관찰할 수 있습니다. 이는 처음으로 짧은 감마선 폭발의 잔광을 포착할 수 있을 만큼 빠른 속도입니다. 천문학자들은 최초의 섬광이 희미해지는 것을 관찰하는 동안 시간이 지남에 따라 점점 더 붉어지는 폭발의 징후도 보았습니다. 천체물리학자들은 곧 이 붉은색이 중성자별(두 개의 중성자별 사이 또는 중성자별과 블랙홀 사이의 충돌일 수 있음)과 관련된 합병 후에 예상될 것이라고 계산했습니다. 그러한 충돌은 더 짧고 푸른 파장의 빛을 차단하는 잔해를 배출합니다. 킬로노바라고 불리는 이러한 폭발과 그에 앞서 발생한 짧은 감마선 섬광을 비교하면 중성자별 합병이 단기 재앙이었다는 강력한 정황 증거가 제공되었습니다.

직접적인 증거 17년 2017월 XNUMX일에 왔습니다. 근처에 있는 두 개의 중성자별이 충돌하여 시공간 구조를 흔들어 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)가 감지할 수 있는 중력파를 생성했습니다. 과학자들은 잔물결에 암호화된 정보를 읽어 나중에 충돌하는 물체의 질량을 계산하고 그것이 중성자별이라는 것을 알게 되었습니다. 중력파가 도착한 직후 페르미 감마선 우주 망원경은 XNUMX초 길이의 감마선 폭발을 포착했습니다. 그리고 다음 날 천문학자들은 감마선 폭발과 같은 지점에서 킬로노바가 붉게 변하는 것을 목격했습니다. 그만큼 세 가지 연속 관찰 의심의 여지가 거의 없습니다. 중성자 별 합병으로 인해 짧은 폭발이 발생할 수 있습니다.

"그것이 모든 것을 확고히 했다"고 말했다 브라이언 메츠거, 컬럼비아 대학교의 천체 물리학자이자 합병 후 킬로노바가 어떤 모습일지 처음으로 예측한 이론가 중 한 명입니다. “[우리는] '좋아, 이 사진은 정말 말이 된다'고 생각했습니다.”

그 그림은 이제 깨지기 시작했습니다.

XNUMX막 트위스트

먼저 Rastinejad가 나왔습니다. 51년 말 2021초 버스트. 이는 2006년 근처에서 발생한 긴 폭발과 매우 유사해 보였으나, 이상하게도 초신성이 부족한 것처럼 보였습니다. 그러나 현대 장비와 무엇을 찾아야 할지에 대한 더 깊은 이해를 통해 Rastinejad와 동료들은 2006년에 천문학자들이 보지 못한 것을 볼 수 있었습니다. 2021년 폭발에 이어 희미한 붉은 킬로노바가 뒤따랐습니다.

그 관찰이 박차를 가했다 앤드류 레반 Radboud University의 교수는 64년부터 수수께끼였던 신비한 2019초 폭발을 다시 방문했습니다. 폭발은 아주 오래 전에 별의 탄생과 죽음(초신성의 형태)이 멈춘 고대 은하의 중심부에서 일어났습니다. XNUMX월에는 Levan과 그의 동료들은 주장했다. 긴 폭발에 대한 가장 유력한 설명은 두 개의 별 시체(적어도 하나는 중성자 별이었을 것임)가 서로를 발견하고 합쳐졌다는 것입니다.

그리고 이제 제임스 웹 우주 망원경은 변칙적 폭발 이후에 무엇이 일어나는지에 대한 가장 명확한 시각을 제공했습니다. 35월 7일 XNUMX초 동안의 폭발이 지구에 도달했을 때 Swift의 감마선 감지 납판은 다른 방향을 향하고 있었습니다. 에너지 광선은 주로 페르미에 의해 감지되었으며, 페르미는 이를 역사상 두 번째로 밝은 감마선 폭발로 기록했습니다. 기록적인 사건 2022에서).

Swift 대신에 천문학자들은 폭발의 위치를 ​​정확히 찾아내기 위해 행성 간 우주선 함대(화성과 수성의 탐사선 포함)를 사용했습니다. 그 후 며칠 후, 지상의 망원경이 다시 킬로노바의 특징적인 붉어짐을 목격했을 때 Levan은 재빨리 사건에 대한 거의 실시간 JWST 관찰을 요청하는 긴급 요청을 시작했습니다. “다행히도 그들은 그렇다고 답했습니다.”라고 Levan은 말했습니다. "이를 통해 우리는 초기 폭발이 발생한 지 약 한 달 후에 이러한 관측을 얻을 수 있었습니다."

JWST는 밀려드는 잔해 밭에서 엄청난 양의 데이터를 수집했습니다. 이 사건이 천체물리학자들의 마음을 사로잡은 바로 그 이유 때문에 광학 망원경은 두꺼운 킬로노바 구름을 깊이 볼 수 없습니다. r-프로세스.

별은 일반적으로 수소 원자를 헬륨으로 융합한 다음 나중에 가벼운 원자를 산소와 탄소와 같은 다소 무거운 원자로 융합합니다. 그만큼 r-과정은 자연적으로 발생하는 가장 무거운 원소로 곧장 도약하는 유일한 방법 중 하나입니다. 중성자별 충돌로 인해 밀도 높은 중성자 소용돌이가 발생하기 때문입니다. 혼돈 속에서 중성자는 반복적으로 원자핵 속으로 들어가 매우 불안정하고 방사성인 원자를 형성합니다. 이 원자의 중성자가 붕괴되면서 양성자로 변환됩니다. 78개의 양성자가 있다면 그것은 백금 원자입니다. 79개의 양성자를 얻으면 그것은 금이다.

중성자별 먼지로 인해 만들어진 부피가 큰 원자는 가시광선을 차단하고 대부분 적외선으로 빛납니다. 이것이 바로 적외선 망원경인 JWST가 킬로노바 구름을 들여다보는 데 매우 적합한 이유입니다. Metzger는 “이전에는 JWST로 킬로노바를 관찰한 적이 없습니다.”라고 말했습니다. “완벽한 악기예요.”

잔해에서 JWST는 텔루르 원자(양성자 52개)를 발견했는데, 이는 중성자별 합병이 주기율표의 다섯 번째 줄 끝 부분에 있는 다소 무거운 원소를 생성할 수 있음을 확인시켜 줍니다. “이것은 우리가 이전에 본 것보다 훨씬 더 무거운 원소입니다.”라고 Levan은 말했습니다.

그러나 동시에 JWST의 관측은 한때 가능성이 없어 보였지만 중성자 별과 관련된 합병이 긴 감마선 폭발을 생성할 수 있다는 인식을 점점 더 높여줍니다. 이제 질문은: 어떻게?

밀도가 높은 개체, 긴 버스트

별의 폭발은 상대적으로 느리고 지저분하기 때문에 초신성은 긴 감마선 폭발을 뿜어냅니다. 거대 별의 죽음은 그 중심이 블랙홀로 붕괴되면서 시작됩니다. 그런 일이 발생한 후, 상당한 양의 외부 별 물질(아마도 여러 태양의 질량을 합산)이 블랙홀로 나선형으로 들어가 최대 몇 분 동안 감마선을 공허 속으로 발사하는 강력한 입자 제트를 발사합니다.

대조적으로 중성자 별 합병은 순식간에 끝날 것으로 예상됩니다. 중성자별은 태양 질량 정도를 지름이 몇 마일에 불과한 부드럽고 작은 구체로 압축합니다. 밀도가 높은 구체 두 개가 충돌하거나 하나가 블랙홀에 부딪히면 물질은 블랙홀로 붕괴됩니다. 마지막 경련 동안에는 항성 붕괴의 경우보다 훨씬 적은 양의 남은 물질이 궤도에 던져집니다. 블랙홀이 태양보다 무게가 10배나 가벼울 수 있는 이 가벼운 간식을 긁어내면서 잠시 동안 XNUMX분의 XNUMX초 동안 제트기(및 감마선 폭발)에 동력을 공급합니다.

Levan, Rastinejad 및 다른 사람들의 새로운 관측은 중성자 별 합병에 대한 빠르고 깨끗한 이미지와 충돌합니다. "10초도 안 되는 시간 동안만 작동하는 시스템에서 XNUMX초의 버스트가 발생한다는 것은 의미가 없습니다."라고 말했습니다. 광석 고틀립, 플랫아이언 연구소(Flatiron Institute)의 전산 천체물리학자. 그는 관측에 참여하지 않았습니다.

한 가지 가능성은 중성자별보다 더 크고 복잡한 무언가가 이러한 지속적인 폭발을 보내고 있다는 것입니다. 특히, 그들의 더 긴 지속 시간은 백색왜성(작은 별의 연료가 고갈될 때 남겨지는 더 큰 종류의 별의 시체)과 블랙홀 또는 중성자별 사이의 합병에 더 자연스럽게 들어맞을 것입니다. 이 시나리오에서는 블랙홀 주변에 더 많은 물질이 생성됩니다. 그러나 백색 왜성과 관련된 충돌이 올바른 종류의 감마선 폭발이나 심지어 킬로노바를 생성할지는 확실하지 않습니다. Berkeley의 Kasen은 "전체 현상에 대한 연구는 훨씬 덜 이루어졌습니다."라고 말했습니다. "우리는 지금 그것을 위해 노력하고 있습니다."

또 다른 옵션은 긴 감마선 폭발이 갓 태어난 블랙홀을 먹어치우는 것에서 전혀 나오지 않는다는 것입니다. 대신, 두 개의 작은 중성자별을 서로 부숴서 생성된 덩어리가 충분히 빠르게 회전하면 몇 분 동안 블랙홀로 붕괴되는 것을 방지할 수 있습니다. 수명이 짧은 물체는 회전 속도가 느려지면서 더 긴 감마선 폭발을 방출하는 고도로 자화된 중성자 별, 즉 "자석"이 될 것입니다. Metzger는 이 시나리오를 구체화하는 데 도움을 주었지만 그조차도 이를 급진적인 개념이라고 생각합니다. “나는 여전히 그것에 대해 일종의 회의적입니다.”라고 그는 말했습니다.

가장 보수적인 가능성은 중성자 별과 관련된 합병이 천체 물리학자들이 생각하는 것보다 더 복잡하다는 것입니다. 여름 동안, 상세한 시뮬레이션 Gottlieb이 이끄는 공동 작업에서는 이것이 종종 그럴 수 있다고 제안했습니다. 특히, 가벼운 중성자별이 충분히 무거운 회전하는 블랙홀을 만나면 중성자별은 나선형으로 돌입하고 블랙홀은 이를 수백 개의 궤도에 걸쳐 분쇄하여 블랙홀이 소비하는 데 수십 초가 필요한 더 무거운 물질 원반을 남깁니다. . 충돌을 시뮬레이션하는 동안 중성자별과 블랙홀, Gottlieb, Metzger 및 공동 연구자들은 더 긴 감마선 폭발을 일으키는 더 무거운 디스크가 매우 일반적이라는 것을 발견했습니다.

사실, 아이러니하게도 그들의 시뮬레이션은 자주 관찰되는 짧은 폭발을 긴 폭발만큼 쉽게 생성하지 못하여, 짧은 폭발의 힘이 정확히 무엇인지에 대한 의문을 불러일으켰습니다.

Gottlieb은 “우리는 이러한 것들을 [완전히] 이해하지 못합니다.”라고 말했습니다. “지금은 이게 가장 큰 문제인 것 같아요.”

공백 채우기

죽은 별들이 충돌할 때 실제로 어떤 일이 일어나는지 알아내기 위해 천문학자들은 감마선 폭발에 대한 상세한 목록을 작성하려는 노력을 두 배로 늘려야 할 것입니다. 왜냐하면 그들이 주로 초신성에 의한 폭발이라고 가정했던 것이 이제 혼란스러워 보이기 때문입니다. 알려지지 않은 수의 중성자 별 합병이 있습니다. 이를 위해서는 긴 폭발과 짧은 폭발 후에 충돌의 특징인 킬로노바를 찾아야 합니다. 긴 것과 짧은 것의 구별이 지속된다면 킬로노바를 요리하는 방법이 여러 가지가 있다는 신호일 수 있습니다.

Rastinejad는 “우리는 상대적으로 가까운 곳에 이벤트가 있을 때마다 달려가야 한다는 사실을 배우고 있습니다.”라고 말했습니다.

LIGO도 중요한 역할을 할 것입니다. 천문대는 최근 이상한 폭발이 발생하는 동안 업그레이드를 위해 오프라인 상태였지만 현재는 먼 충돌을 관찰하는 네 번째 실행 중입니다. LIGO가 긴 감마선 폭발에서 나오는 중력파를 포착할 수 있다면 과학자들은 중성자별이나 블랙홀이 관련되어 있는지 여부를 알 수 있을 것입니다. 이를 통해 LIGO가 중력파를 감지하지 못하는 백색 왜성을 배제할 수도 있습니다. 미래 관측소에서 파도의 상세한 흔들림은 즉각적인 생성물이 마그네타인지 블랙홀인지에 대한 힌트를 제공할 수도 있습니다.

Metzger는 “[중력파]는 실제로 이 문제를 해결하는 유일한 결정적인 방법이 될 것입니다.”라고 말했습니다.

중성자별 합병의 중력 웅웅거림을 감지하고 감마선 폭발과 킬로노바를 관찰함으로써 천체물리학자들은 결국 수소에서 백금, 플루토늄에 이르기까지 우주의 모든 물질의 기원을 완전히 설명하려는 장기적인 목표를 달성할 수 있습니다. 그러기 위해서는 어떤 유형의 합병이 일어나는지, 각 유형이 얼마나 자주 발생하는지, 각 유형이 어떤 요소를 생성하고 수량은 무엇인지, 초신성과 같은 다른 사건이 어떤 역할을 하는지 알아야 합니다. 이제 막 시작에 불과한 어려운 사업입니다.

Levan은 “주기율표의 모든 단일 요소가 형성되는 천체 물리학적 장소를 연구하는 핵심 목표가 여전히 남아 있습니다.”라고 말했습니다. "아직 공백이 있기 때문에 이것이 중요한 공백 중 일부를 채우기 시작했다고 생각합니다."

편집자 주: Flatiron Institute는 편집권이 독립된 이 잡지에도 자금을 지원하는 Simons Foundation의 자금을 지원받습니다. Flatiron Institute나 Simons Foundation은 우리의 보도에 어떠한 영향도 미치지 않습니다. 더 많은 정보 이용 가능 여기에서 지금 확인해 보세요..