중성자별의 연성을 만드는 외층이 크게 벗겨진 별의 초신성 폭발을 발견

Author:ESO/Digitized Sky Survey 2 / https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Digitized_Sky_Survey_Image_of_Betelgeuse.jpg

2017년 연성을 이루는 두 개의 중성자별의 합체 현상이 중력파와 전자파를 이용한 관측에 의해 세계에서 처음으로 포착되었다. 실은 중성자별끼리의 연성이 만들어지는 조건은 매우 어렵다고 생각되고 있어서 그 형성 과정은 지금까지 밝혀지지 않았다. 이 문제를 해결하기 위해 중성자별과 연성을 이루고 있는 별의 외층이 크게 벗겨져 그 상태에서 초신성 폭발을 일으키면 그 결과 중성자별끼리의 연성이 만들어진다는 가설이 나왔다. 그리고 마침내 이 이론에서 예측된 외층이 크게 벗겨진 초신성과 잘 일치하는 특징을 나타내는 초신성이 과거의 관측 데이터로부터 이번에 발견된 것이다. 이 발견은 중성자별끼리의 연성을 형성한다고 생각되는 초신성 폭발을 세계에서 처음으로 포착한 관측이라고 말할 수 있다.

중성자별은 대질량성 별이 진화의 마지막 단계에서 중력수축이 진행되어 초신성 폭발을 일으켰을 때 만들어지는 초고밀도 천체입니다. 두 개의 중성자별로 구성된 연성이 형성되기 위해서는 연성을 만드는 두 개의 대질량성 별 각각이 초신성 폭발을 일으킬 필요가 있다. 둘 중 더 무거운 별이 먼저 폭발하여 중성자별이 만들어진다. 이 때에는 연성계의 일부 물질이 방출될 뿐이지만 문제가 되는 것은 이 후에 폭발하는 별이다. 나머지 별이 연달아 일반적인 초신성 폭발을 일으키면 연성계를 만드는 물질이 단번에 손실되어 역학적으로 불안정해진다. 그 결과 연성계가 망가져 버려 중성자별끼리의 연성이 형성되지 않는다. 그렇다면 중성자별의 연성은 어떻게 만들어질까?

이 의문에 대해 국립천문대 이론연구부의 모리야 타카시 특임조교 연구팀은 다음과 같은 가설을 제시했다. 나중에 초신성 폭발을 일으키는 별은 앞선 폭발로 만들어진 중성자별의 중력의 영향으로 수소와 헬륨으로 만든 별의 외층이 거의 벗겨져 버리는 경우가 있다. 이 상태에서 초신성 폭발을 일으키면 폭발로 방출되는 물질이 매우 적기 때문에 역학적으로 불안정해지지 않고 연성계가 망가지지 않아서 중성자별끼리의 연성이 형성된다고 생각할 수 있다. 또한 이 경우 나중에 폭발하는 별은 폭발 직전에 희박하게 퍼진 헬륨층을 주위에 형성할 수 있음을 시사했다.

초신성 iPTF14gqr의 출현 전과 출현 후의 이미지. 파선의 원으로 둘러싸인 부분이 초신성. 초신성 출현 전의 스론 디지털 스카이 서베이(SDSS)에 의한 화상(적색, 녹색의 2색 합성 화상, 왼쪽)과, 2014년 10월 19일의 초신성 출현시의 팔로머 60인치 망원경에 의한 관측 화상(적색 , 녹색, 파랑 3색 합성 이미지, 오른쪽). (크레딧: SDSS/Caltech)

이처럼 외층이 거의 벗겨진 별이 일으키는 초신성 폭발은 어떤 천체로 관측되는가? 2017년 모리야 씨는 시뮬레이션을 실시해 다음과 같은 예측을 했다. 폭발의 에너지가 통상의 초신성 폭발의 10분의 1 정도로 작은 것, 초신성 폭발 후 5일부터 10일 후 사이에 가장 밝아지는 것, 더욱 구체적인 스펙트럼의 시간 변화 등에 대해서도 예측할 수 있었다. 그리고 이 시뮬레이션으로 예측한 천체와 매우 잘 일치하는 초신성이 iPTF의 관측 데이터에서 이번에 발견된 것이다. 미국의 캘리포니아 공과대학의 키샤라이 데 연구팀이 2014년에 관측한 초신성 'iPTF14gqr'이다. 이 초신성은 일반 초신성보다 폭발에너지가 작고 폭발시 방출되는 물질이 매우 적다는 것을 보여주었다. 게다가 초신성 폭발 후 이루어진 분광관측으로 이 천체 주위에는 희박한 헬륨층이 퍼져 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 관측결과는 시뮬레이션에서 예측한 외층이 크게 벗겨진 초신성의 특징과 잘 일치한다. 이것은 중성자별끼리의 연성을 형성한다고 생각되는 초신성 폭발을 세계에서 처음으로 포착한 관측이 된다.

“중성자별끼리의 합체는 금이나 백금 등의 중요한 원소를 만들어내는 현상입니다. 앞으로 중력파나 전자파를 이용한 관측으로 중성자별의 합체를 포착하는 것, 중성자별끼리의 연성을 만드는 초신성 폭발을 많이 관측함으로써 원소가 형성되는 현장에 대한 이해가 더욱 진행될 것"이라고 모리야 씨는 전망했다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 中性子星の連星をつくる、外層が大きく剥がれた星の超新星爆発を発見
https://www.nao.ac.jp/news/science/2018/20181012-theory.html