Ia형 초신성의 폭발원리를 발견

백색왜성이 반려성으로부터 헬륨을 빼앗아 무거워지면 백색왜성 표면에 모인 헬륨의 바닥에서 폭발적으로 헬륨의 핵융합반응이 일어나 최초의 폭발이 시작됩니다. 그 폭발이 방아쇠가 되어 백색왜성도 압축되고 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응이 시작되며 그 반응이 별 전체에 퍼져 Ia형 초신성이 됩니다.

도쿄대학 대학원이 학계연구과의 강계안 대학원생, 도이모리 교수, 모야마 슌와 준교수 등의 연구그룹은 미국 하와이에 있는 구경 8.2m의 스바루 망원경을 이용하여 Ia형 초신성이라 불리는 별 폭발 직후에 특이한 현상을 발견했습니다. 게다가 해석 결과 이 현상은 Ia형 초신성 폭발을 일으키는 원리로서 제안되고 있던 가설의 하나에 대한 최초의 확실한 증거인 것을 알 수 있었습니다. 본 연구는 이 폭발원리를 규명하는 첫걸음으로 Ia형 초신성을 우주론적 거리측정의 표준광원으로 이용하는데 있어서 정밀도를 높이는 데도 도움이 될 것으로 기대됩니다.

별들 중에는 마지막으로 폭발하여 끝나는 것도 있습니다. 백색왜성이라고 불리는 고밀도 별은 연성을 이룰 때 상대의 별(반려성)에서 물질을 얻어 질량을 늘리고 자중을 지지하는 한계에 도달하거나 반려성과 합체한 후에 Ia형 초신성 폭발을 일으킨다고 추정됩니다. Ia형 초신성은 매우 밝고 모두 비슷한 광도를 가지므로 우주론적 거리지표로 사용됩니다. 2011년에 노벨 물리학상이 수여된 우주 가속팽창의 발견도 Ia형 초신성의 광도관측을 통해 얻은 성과의 유명한 사례입니다. 그러나 그러한 초신성 폭발이 어떻게 시작되는지는 알 수 없습니다. 지난 수십 년 동안 다양한 가설이 제안되어 왔지만 관측에 의해 검증된 것은 아닙니다.

도이모리 교수 연구그룹은 이러한 검증을 가능하게 하기 위해 폭발 후 며칠 이내의 Ia형 초신성을 포착하기 위해 스바루 망원경에 탑재된 세계에서 가장 뛰어난 광시야 카메라 Hyper-Suprime Cam을 이용한 관측을 2016년에 시작했습니다.

같은 해 4월에 초신성 폭발 직후의 희미한 빛을 포착하는 데 성공하여 관측된 Ia형 초신성의 광도는 최대 광도의 1% 이하였습니다. 그 후 세계 각지에 있는 8개의 망원경의 관측결과로부터 이 초신성은 Ia형임에도 불구하고 최초의 며칠간 과거에 관측된 Ia형 초신성과는 다른 밝기와 색의 변화를 나타낸 것으로 밝혀졌습니다. 이 특이한 현상의 원인을 탐구하기 위해 다양한 이론모델에 기초하여 많은 수치계산을 실시한 결과 이 초신성의 특징은 백색왜성 표면에 쌓인 헬륨층에서 헬륨 핵융합반응이 우선 폭주하고 다음에 그 폭주로 인해 생긴 충격파가 별의 내부에 전해져 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응에 점화해 별 전체가 폭발한다는 시나리오(많은 백색왜성은 탄소와 산소로 이루어져 있다)로 설명할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 즉 1980년대 초에 제창된 Ia형 초신성의 폭발원리에 관한 하나의 시나리오가 현실의 우주에서 일어나고 있다는 것을 처음으로 보여준 확실한 증거를 포착한 것입니다.

"이 초신성을 출현 직후에 발견함으로써 Ia형 초신성은 어떻게 폭발을 시작하는지 처음 알 수 있었으며 폭발원리의 규명으로 이어질 것으로 기대된다"고 도이모리 교수는 설명했습니다. “또한 Ia형 초신성을 이용한 우주론적인 관측의 정밀도를 높이기 위해서도 도움이 될 것으로 보인다”고 전망했습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- A hybrid type Ia supernova with an early flash triggered by helium-shell detonation
https://www.nature.com/articles/nature23908#citeas
- 表面での爆発から星の死への旅立ち
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/a_00607.html

表面での爆発から星の死への旅立ち | 東京大学