초신성 폭발 직후 어린 빛 포착해 폭발의 비밀 풀다

– 외계행성탐색시스템(KMTNet) 통해 폭발 1시간 내 초신성 빛 포착 –

– Ia형 초신성 폭발 설명 핵심 관측자료 … Nature Astronomy 게재 –

■ 한국천문연구원(이하 천문연) 외계행성탐색시스템(이하 KMTNet, Korea Microlensing Telescope Network)이 초신성 폭발 후 1시간 내 빛을 포착해 Ia형 초신성이 어떻게 폭발하는지를 설명하는 관측적 증거를 제시했다.

□ Ia형 초신성은 폭발 시 최대 밝기가 매우 일정해 우주의 거리를 재는 표준광원으로 이용되며, 철과 같은 무거운 원소의 기원과 별의 죽음을 연구하는 데 필수적인 천체이다. 그러나 Ia형 초신성이 어떠한 과정을 통해 폭발하는지 이제껏 밝혀지지 않았다.

□ 천문연이 캐나다 토론토대학과 공동으로 참여 중인 KMTNet 초신성 탐사 관측 연구진은 KMTNet을 이용해 폭발 후 1시간밖에 되지 않은 초신성 ‘SN 2018aoz’ 관측에 성공했다. Ia형 초신성 관측 역사상 가장 어린 시기의 빛을 포착한 것이다.

□ 이번 관측을 통해 연구진은 폭발 후 1∼12시간 사이 초신성의 색이 붉어진다는 사실을 확인했고, 이러한 색 변화는 철 성분이 초신성 가장자리에 더 많이 분포하기 때문이라는 것을 밝혀냈다. 이는 Ia형 초신성의 폭발이 백색왜성의 바깥에 있는 헬륨 폭발로 시작하거나 또는 폭발 물질들이 아주 급격한 혼합 과정을 거침을 말해 준다.

□ 초신성 폭발 직후의 빛을 더 빨리 포착하고자 하는 경쟁은 천문학계의 기록 단축 올림픽과 유사하다. 폭발 직후의 빛을 더 빨리 관측할수록 별의 크기와 별 내부의 원소 측정이 더 용이하기 때문이다. 2011년 SN 2011fe 초신성은 폭발 뒤 11시간 후 관측이 진행됐으며, 2017년 SN 2017cbv는 폭발 뒤 7시간, 그리고 2019년 SN 2018oh는 폭발 후 3.6시간 만에 관측이 이루어졌다. Ia형 초신성에서 폭발 후 1시간 만의 빛을 관측한 이번 연구는 기록 면에서 혁신적인 결과이다.

□ 연구진이 폭발 1시간 내 초신성 빛을 빠르게 포착할 수 있었던 원동력은 24시간 관측이 가능한 KMTNet 망원경 운영에 있다. 연구진은 남반구에 위치한 3기의 망원경을 이용해 초기 초신성 발견에 최적화된 관측 프로그램을 운영하고 있다. 또한 과거 연구에서 한두 개의 필터를 사용했던 것과 달리, 모든 관측에 세 개의 필터를 사용함으로써 초신성의 색을 정밀하게 관측할 수 있게 됐다.

□ 천문연 초신성 탐사 연구진을 이끌고 있는 김상철 광학천문본부장은 “이번 연구는 Ia형 초신성에서 어떻게 폭발이 일어나는지를 구체적으로 밝혀낸 첫 연구”라며 “KMTNet의 24시간 관측 수행 능력이 가져온 쾌거”라고 말했다. 연구진은 후속으로 더 이른 시기의 초신성 관측과 다른 종류의 폭발을 일으키는 특이 초신성에 대한 연구도 시작할 예정이다.

□ 한편, 이번 연구는 천문연 외에 캐나다 토론토대학, 미국 카네기연구소, 캘리포니아공과대학, 아리조나 대학, 캘리포니아주립대, 라스 쿰브레스 천문대(Las Cumbres Observatory), 미 항공우주국(NASA) 등이 참여했다. 해당 연구 논문은 천문학 분야 최상위급 학술지인 네이처 아스트로노미(Nature Astronomy) 2월 17일(영국 시각, 한국시각으로는 18일 01시)자에 실렸다.

[문의]

한국천문연구원 광학천문본부 김상철 책임연구원(Tel: 042-865-3246)

한국천문연구원 광학천문본부 박홍수 선임연구원 (Hp: 010-2683-8005) ※현재 해외 거주 중이라 국제전화 연결

[참고자료 1] 그림 및 참고영상

초신성 폭발 직후 어린 빛 포착해 폭발의 비밀 풀다 – KS News

그림 1. KMTNet 망원경으로 찍은 초신성 관측 영상.

(a)는 초신성이 관측된 지역을 잘 보기 위해 여러 장의 영상을 합친 그림이다. (a) 이미지의 십자선 중심이 초신성이 발견된 위치를 가리킨다. 초신성이 발견되기 전의 영상들만을 합쳤기에 초신성의 빛은 보이지 않는다. 오른쪽은 초신성의 위치를 확대해서 보여준다. (b)는 초신성 SN 2018aoz가 처음 발견되었을 때의 모습이고, (c)는 초신성이 가장 밝아졌을 때이다.

그림 2. 초신성의 위치를 확대한 모습을 보여주는 영상

초신성 SN 2018aoz가 발견되기 1일 전, 최초 발견되었을 때, 초신성이 가장 밝아졌을 때를 순서대로 보여준다.

그림 3. KMTNet 망원경을 통해 Ia형 초신성을 포착한 장면을 형상화한 이미지

[참고자료 2] 참고 설명

– 초신성의 분류(종류)

초신성은 Ia형과 핵붕괴 초신성(Ib, Ic, II-P, II-L, IIn형 등)으로 나뉜다. Ia형 초신성은 백색왜성(태양질량 별의 마지막 진화 단계)과 동반성(짝별)으로 이루어진 쌍성에서 발생하는데 밝기가 핵붕괴 초신성보다 밝은데다 최대 밝기가 일정해서 거리를 재는 데 아주 유용하다. 이 성질을 이용해서 우주의 가장자리에 있는 Ia형 초신성을 관측함으로써 우주가 가속팽창한다는 것을 알아낼 수 있었다. 반면 핵붕괴 초신성은 질량이 태양보다 8배 이상 큰 별에서 발생하는데, 이런 무거운 별 진화의 마지막 단계에서 별 중심에서 핵융합반응을 지속할 수 없는 단계에 이르렀을 때 중심의 철 핵이 붕괴하면서 별이 폭발함으로써 발생한다. KMTNet같은 광학 망원경으로 관측되는 초신성 중 약 80%가 Ia형이고, 약 20%가 핵붕괴 초신성이다.

– KMTNet과 초신성 탐사 관측 연구진

한국천문연구원과 토론토대학교의 연구진(연구책임자: 문대식 캐나다 토론토대학 교수)은 한국천문연구원이 남반구의 세 대륙(남아메리카의 칠레, 오세아니아의 오스트레일리아, 아프리카의 남아프리카공화국)에 설치한 KMTNet 1.6미터 광시야 망원경 3기를 이용해 초신성 탐사 관측 연구를 진행하고 있다. 초신성 탐사 관측 연구진은 우리은하 또는 외부은하의 초신성을 찾고 수백 일 동안의 정밀관측을 통해 별의 종말 단계의 폭발 과정, 탄소·산소·철·금·우라늄 같은 무거운 원소들의 생성 과정, 블랙홀·중성자별의 탄생 과정, 중력파·중성미자의 방출 과정 등을 연구하기 위한 탐사(survey)연구를 수행 중인데 이 과정에는 동일 천체에 대해 중단 없는 24시간 연속 관측이 필수적이다. 망원경이 1기뿐이면 지구가 자전 때문에 관측을 할 수 없는 낮에 별이 폭발할 수 있기 때문이다. 이러한 24시간 지속 관측을 통해 초신성뿐만 아니라, 신성, 왜소신성, 각종 변광성, 비(非)주기 변광성을 찾아낼 수 있고, 관측한 모든 영상을 합치면 마치 수백 시간 이상 관측한 것과 같은 효과를 발휘해 아주 어두운 은하나 별, 성단도 찾아낼 수 있다. KMTNet은 1년 중 약 6개월은 우리은하 중심부를 관측해서 태양계 밖 외계행성을 탐색하고, 우리은하 중심의 반대 방향을 보는 나머지 반년 동안은 초신성, 태양계 소천체, 외부은하 등을 관측한다.

초신성 탐사 관측 연구는 토론토대학교의 문대식 교수가 이끌고 있고, 한국천문연구원의 김상철, 박홍수 박사, 충남대학교의 이영대 박사 등이 참여하고 있다.

– KMTNet 관련 사진 및 동영상 링크 :

KMTNet 망원경 회전 모습: https://youtu.be/NzSVC_goRJA

KMTNet 남반구 3개 천문대의 내외부 CCTV 영상: https://youtu.be/nAKjVZKNYnk

KMTNet과 밤하늘: https://youtu.be/ler0sIGJ_Go

[참고자료 3] 연구팀 및 논문

○ 연구팀 (맨 앞의 숫자는 저자순위)

1 유안 치 니 (Yuan Qi Ni) (University of Toronto, Canada/박사과정)

2 문대식 (Dae-Sik Moon) (University of Toronto, Canada/교수)

3 마리아 드라우트 (Maria R. Drout) (University of Toronto, Canada/교수)

4 아비가일 폴린 (Abigail Polin) (카네기연구소 및 Caltech/박사후연구원)

5 데이빗 샌드 (David J. Sand) (University of Arizona, USA/교수)