마그네타:이 별의 거인들이 초신성을 일으킬 수 있을까요?

2024년 12월 ATLAS 천문 조사를 통해 먼 곳에서 섬광이 감지되었습니다. 그것은 아주 멀리, 대략 10억 광년 떨어진 곳에 위치한 거대한 별의 폭발적인 죽음인 초신성이었습니다. 그러나 LCO(Las Cumbres Observatory)와 UC Santa Barbara의 대학원생인 Joseph Farah는 지속적으로 유입되는 데이터 스트리밍을 살펴보면서 매우 특이한 점을 발견했습니다.

거대한 별의 폭발은 단지 어둠 속으로 순조롭게 사라지는 것이 아니었습니다. 그것은 기복이 있었고, 빠르게 속도가 빨라지는 리드미컬하고 주기적인 신호로 번쩍였습니다. 이 신호를 음향 영역으로 변환하면 폭발하는 별은 "지저귀는 소리"를 냅니다.

이 불규칙한 행동은 SN 2024afav로 알려진 사건을 추적하기 위해 전 세계 망원경 네트워크와 관련된 미친 돌진을 촉발했습니다. 결과 데이터는 마침내 과학자들이 우주에서 가장 밝은 폭발 중 일부에 대한 오랜 미스터리를 해결하는 데 도움이 되었습니다.

이 우주의 울음 소리는 자기화되어 빠르게 회전하는 중성자별인 마그네타가 적어도 때로는 우주에서 가장 밝은 사건의 배후에 있다는 최초의 직접적인 증거를 제공하는 것으로 밝혀졌습니다.

연구팀은 이 믿을 수 없을 만큼 밀도가 높은 핵이 회전할 때 극도의 중력이 시공간 구조를 뒤틀어 주변의 별 잔해로 이루어진 원반이 흔들리게 한다는 사실을 발견했습니다. 이 디스크가 흔들리면서 중앙 마그네타에서 쏟아져 나오는 강렬한 방사선을 주기적으로 차단하고 방향을 바꾸면서 지구상의 망원경으로 포착한 리드미컬한 섬광을 생성합니다. 이는 또한 과학자들이 초신성의 역학을 설명하기 위해 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 필요했던 최초의 사례이기도 합니다.

우주 스트로브 라이트

거대한 별의 연료가 떨어지면 핵이 붕괴되고 엄청난 폭발로 죽습니다. 지난 20년 동안 천문학자들은 I형 초발광 초신성(SLSNe-I)이라고 불리는 희귀하고 수수께끼 같은 종류의 폭발을 분류했습니다. 이러한 사건은 일반적인 초신성보다 적어도 10배에서 100배 더 밝습니다.

이 극도의 광도 뒤에 있는 동력원은 항상 뜨거운 논쟁을 불러일으켰습니다. 많은 과학자들은 마그네타가 그들 뒤에 있다고 의심했습니다. 막대한 자기장이 회전하는 초밀도 중성자별이기 때문에 팽창하는 초신성 잔해에 에너지를 공급하여 놀라울 정도로 밝게 빛납니다.

그러나 표준 마그네타 모델에는 눈에 띄는 결함이 있었습니다. 이는 초기 피크 이후 밝기가 완만하게 감소할 것으로 예측했습니다. 그러나 천문학자들은 이러한 극단적인 초신성의 광도 곡선에서 설명할 수 없는 융기나 기복을 자주 관찰했습니다.

새로운 연구를 주도한 천체물리학자들이 조사한 초신성 SN 2024afav는 이 미스터리를 폭로했습니다. 천문학자들이 무작위 범프를 한두 번만 포착했던 과거 사건과 달리 SN 2024afav는 최소한 네 가지의 뚜렷한 정현파 변조를 보여주었습니다. 더욱 충격적인 것은 이러한 섬광 사이의 시간이 약 50일에서 약 20일로 급격하게 줄어들었다는 것입니다.

이 빛의 파동을 어떻게든 오디오로 변환할 수 있다면 그 효과는 놀라울 것입니다. Farah는 ZME Science에 이렇게 말했습니다. “더 높고 더 긴급하게 들리는 깊은 윙윙거리는 소리처럼 들릴 것입니다. .

우리가 이 깜박임을 볼 수 있는 엄청난 규모는 거의 이해할 수 없습니다. Farah는 ZME Science에 “초신성 폭발은 우리 태양보다 1000억(100,000,000,000)배 이상 더 밝습니다.”라고 말했습니다. “SN 2024afav가 폭발하는 동안 이 단일 사건의 출력은 은하계 전체를 합친 출력에 맞먹습니다!”

"머리를 감는 것은 확실히 매우 어렵습니다! 우리가 그렇게 먼 거리에서 그것을 보려면 초신성은 믿을 수 없을 정도로 밝아야 하며, 실제로 그렇습니다."라고 Farah는 덧붙였습니다.

시공간 구조를 뒤틀다

천문학자들은 이전에 별이 이전에 흘린 가스 껍질에 폭발이 무작위로 부딪히면서 초고휘도 초신성의 빛 곡선이 부딪히는 현상을 비난해 왔습니다. 그러나 SN 2024afav의 플래시는 주변 물질과의 우발적인 충돌로 인해 발생하기에는 너무 리드미컬하고 타이밍이 너무 정확했습니다. 신호가 왜 그렇게 구조화되어 있고 왜 주파수가 빨라지는지 설명하기 위해 연구자들은 아인슈타인의 일반 상대성이론이 적용되는 극중 중력 환경을 살펴봐야 했습니다.

그들은 원래 별이 폭발했을 때 그 별의 모든 물질이 빠져나간 것은 아니라는 것을 깨달았습니다. 대신 엄청난 양의 잔해가 중앙을 향해 다시 떨어지면서 새로 태어난 마그네타 주위에 두껍고 빛나는 강착 원반이 형성되었습니다.

이 마그네타는 엄청나게 밀도가 높고 초당 수백 번 회전하기 때문에 실제로 회전할 때 시공간 구조를 끌어당깁니다. 주변 가스 디스크가 기울어지면 이러한 시공간 끌림으로 인해 전체 디스크가 회전하는 팽이처럼 흔들리게 됩니다. 이는 Lense-Thirring 세차운동으로 알려진 상대론적 효과입니다.

이에 대해 생각하는 한 가지 방법은 회전하는 공이 실크 시트를 끌고 다니는 것과 같습니다.

Farah는 회전하는 공에 더 가까운 실크 시트가 더 멀리 있는 시트보다 더 빠르게 끌린다는 것이 핵심이라고 Farah는 설명하면서 프레임 끌기 효과를 설명했습니다. "무한대에서는 끌림이 없습니다. 회전하는 공에 매우 가까이 있고 시트에 앉아 있으면 움직이려고 하지 않더라도 끌리게 됩니다."

이 디스크가 흔들리면서 마그네타에서 쏟아지는 강렬한 방사선을 주기적으로 차단하거나 반사하여 지구에서 볼 수 있는 섬광등 효과를 만들어냅니다.

그런데 왜 플래시 속도가 빨라졌습니까? 마그네타의 강렬한 방사선은 디스크를 바깥쪽으로 밀어내며 디스크의 내부 반경을 결정합니다. 초신성이 천천히 사라지고 마그네타가 에너지를 잃으면 외부 압력이 떨어집니다. 강착 디스크는 마그네타에 점점 더 가까워집니다. 별에 가까울수록 상대론적 끌림 효과가 훨씬 강하기 때문에 원반은 안쪽으로 수축하면서 더 빠르게 흔들리며, 이는 섬광 사이의 감소 기간을 완벽하게 설명합니다.

팀은 모델을 관찰된 처프와 일치시킴으로써 코어의 정확한 특성을 계산할 수 있었습니다. 그들은 마그네타가 4.2ms의 주기로 회전하고 1.6 × 10^14G의 자기장 강도를 가지고 있음을 발견했습니다.

별 폭발의 역사를 다시 쓰다

이 현상을 포착하기 위해 팀은 로봇 망원경의 LCO 글로벌 네트워크에 크게 의존하여 200일 이상 초신성을 관찰했습니다. 초기에 수학적 패턴을 인식했기 때문에 연구원들은 망원경을 동적으로 조정하여 미래에 발생할 수 있는 충격을 포착했습니다.

"새로운 충돌이 예정대로 나타나기 시작했을 때 우리는 깜짝 놀랐습니다. 새로운 천체 물리학 현상에 대해 실시간으로 예측하고 그것이 실현되는 것은 정말 드문 일입니다!" 파라가 말했습니다.

이 발견은 새로 태어난 마그네타의 폭력적인 환경에서 작동하는 Lense-Thirring 효과에 대한 최초의 명확한 관찰 증거를 제공합니다. 이는 또한 초발광 초신성의 극도의 밝기에 대한 결정적인 설명으로서 마그네타 모델을 효과적으로 입증합니다.

하지만 수년에 걸쳐 천문학자들이 관찰한 수십 명의 다른 초발광 초신성은 어떻습니까? 그 중 다수는 설명할 수 없는 충돌을 한두 번 특징으로 했으며, 과학자들은 이전에 폭발이 주변 가스 구름에 충돌하거나 중앙 엔진 플레어를 경험하는 것으로 기록했습니다. 팀은 SN 2018kyt 및 SN 2019unb와 같은 오래된 초신성의 기존 데이터에 새로운 Lense-Thirring 모델을 적용했으며, 흔들림 디스크 이론이 이러한 오래된 관측도 완벽하게 설명한다는 사실을 발견했습니다.

이것은 천문학자들이 과거 관측을 근본적으로 오해했다는 뜻인가요?

“아마도 한두 개일 거예요!” Farah는 ZME Science에 말했습니다. . "다른 개체의 경우, 우리는 모델이 일관성이 있다는 것만 보여줄 뿐이지 반드시 해당 개체에 전력을 공급할 필요는 없습니다."

Farah는 주기적인 광도 메커니즘이 기울어진 원반 형성과 직각에서 바라보는 관찰자 등 일련의 특정 상황을 필요로 한다고 지적했습니다. 이것이 지금까지 이렇게 명확한 "지저귀는 소리"를 많이 볼 수 없었던 이유를 설명합니다.

칠레의 Vera C. Rubin 천문대와 같은 차세대 시설이 밤하늘을 스캔할 준비를 하면서 천문학자들은 이러한 극단적인 폭발을 수천 번 더 발견할 것으로 기대합니다. 죽은 별들이 어떻게 현실의 구조를 왜곡하는지에 대한 새로운 이해를 갖춘 과학자들은 마침내 깜박이는 빛 속에 숨겨진 메시지를 해독할 준비가 되었습니다.