초신성이 폭발한 잔해에서 이상한 잔여물 발견

 

과학자들은 초신성 폭발 잔여물에서 예상치 못한 현상을 관찰했습니다. 이것은 매우 자화된 중성자성 또는 마그네타(Magnetar) 및 이전에 본 적이 없는 양자 활동에 의해 발생할 수 있습니다.

마그네타와 같이 모든 중성자성은 질량이 큰 별이 수명을 다하며 발생하는 대량의 초신성 폭발로 형성됩니다. 중성자성을 구성하는 물질은 각설탕 하나정도 크기의 무게가 10억 톤을 초과할 정도로 밀도가 매우 높습니다. 이 별 잔여물 주변의 자기장은 알려진 우주에서 가장 강력한 자기장으로, 종종 지구의 자기장보다 100조 배 이상 강합니다.

중성자성과 마그네타는 우주에서 가장 극단적인 천체이므로 이들을 조사하는 것은 우주의 이해를 더욱 향상시키기 위해 매우 중요합니다. 4월 18일에 Proceedings of the National Academy of Sciences에 발표된 새로운 연구는 카시오페이아 A의 초신성 폐허 주변의 잔여물을 조사했습니다. 이 폭발은 지구에서 340년 전에 관측되었습니다.

천문학자들은 항상 마그네타 주변에서 강하게 편광된 X선이 생성될 것이라 예상했는데, 이는 마그네타의 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 것을 의미합니다.

그러나, 작년에 발사된 NASA의 X선 편광 탐사자 (IXPE) 위성이 수집한 데이터가 마그네타 4U 0142+61 주변의 초신성 폐허 카시오페이아 A의 X선에서 에너지에 따라 편광이 달라질 수 있다는 것을 보여줬을 때 과학자들은 놀라움을 금치 못했습니다. 이 마그네타는 지구로부터 13,000 광년 떨어진 곳에 위치해 있습니다.

 

NASA의 IXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer) 위성의 관측결과(붉은색)과 NASA의 Chandra X선 관측기에서 관측(푸른색)한 이미지를 합성한 .초신성 잔해 카시오페아 A의 이미지. NASA/CXC/SAO/IXPE

 

IXPE의 관측은 마그네타 주변의 X선의 편광을 최초로 측정한 것으로, 낮은 에너지의 X선은 고에너지의 X선과 180도로 편광되었음을 보여줍니다. 두 세트의 고에너지 광선과 저에너지 광선은 모두 마그네타의 전자기장과 90도의 방향으로 정렬되어 있습니다.

코넬 대학교 천체물리학 교수인 동 라이는 5월 4일의 성명에서 "광자의 변태"라고 불리는 현상이 X선 광자가 전자와 양전자로 변환되는 것을 설명할 수 있다고 말했습니다. "광자의 변태"는 전자와 광자 사이의 서브원자적 상호작용을 조사하는 물리학 분야인 양자전자동학(QED)의 요소입니다.

라이는 중성자성 주변 플라즈마라고 하는 뜨거운 자기화된 가스를 떠도는 중성자성의 희박한 대기에서 X선 광자가 나갈 때 QED는 광자가 진공 공명이라고 불리는 단계를 통과한다고 예측합니다.

라이는 이 단계에서 전기적으로 충전되지 않은 광자가 등전하고 반등전을 가진 가상의 입자 쌍(전자와 양전자)으로 변환될 수 있다고 말했습니다. 그러나 이 입자들은 자기장이 강력한 마그네타에 의해 영향을 받기 때문에 광자의 편극은 고에너지 X선이 저에너지 X선에 비해 90도로 편광되도록 할 수 있습니다.

라이는 "편광을 두 가지 맛의 광자로 생각할 수 있습니다. 한 맛에서 다른 맛으로 갑자기 변하는 광자는 일반적으로 이러한 종류의 현상을 보지 못합니다. 그러나 이는 이 극한 조건에서 이론을 적용하면 자연스러운 결과입니다."라고 덧붙였습니다.

 

제임스 웹 망원경의 MIRI 장비로 관찰한 카시오페아 A의 초신성잔해. NASA, ESA, CSA, DD Milisavljevic(퍼듀), T. Temim(프린스턴), I. De Looze(겐트 대학교). 이미지 처리: J. DePasquale(STScI).)

 

IXPE가 더욱 강력한 자기장을 가진 다른 마그네타인 1RXS J170849.0–400910을 조사한 결과, 저에너지와 고에너지 X선의 편광 "흔들림"이 관찰되지 않았습니다. 라이에 따르면 이는 그의 계산이 설명할 수 있는데, 이러한 경우 진공 공명과 광자의 변태가 매우 중심 깊은 곳에서 발생할 것이라 예상됩니다. 라이는 그의 연구 결과가 4U 0142+61 주변의 이상한 X선 편광을 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 이 마그네타의 자기장 강도와 회전 속도를 제한하는 데 도움이 된다고 말했습니다. 이 연구 결과는 또한 이 마그네타의 대기가 이온화된 중성원소로 구성된 부분으로 이루어져 있다는 것을 시사합니다.

라이는 더불어 "중성자성의 연구는 지구에서는 결코 시뮬레이션할 수 없는 조건에서의 물리학을 더 잘 이해할 수 있도록 돕습니다. IXPE의 관측은 중성자성의 표면 환경을 연구하기 위한 새로운 창을 열었습니다. 이는 이 미지의 물체에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것입니다."라고 밝혔습니다.

이 연구는 초신성 폭발에서 생성된 마그네타와 중성자성의 별 잔여물에 대한 현상을 조사함으로써 우주의 복잡한 물리학을 탐구하는 데 중요한 기여를 한 것입니다. 이러한 연구는 우주의 이해를 더욱 확장시키고 우리가 존재하는 세계와 그 안에서 발생하는 현상에 대한 통찰력을 제공합니다.