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게성운 펄사

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목차

1. 개요

게성운 펄사는 1968년 발견된 펄서로, 초신성 SN 1054의 잔해인 게 성운 중심에 위치한다. 이 펄서는 33밀리초의 매우 짧은 자전 주기로 회전하며, 전파부터 감마선에 이르는 전자기파를 방출한다. 게 펄서는 X선 천문학의 캘리브레이션에 사용되며, "crab"과 "millicrab"과 같은 에너지 플럭스 단위의 기준으로 활용된다. 최근 연구를 통해 100 TeV를 초과하는 감마선이 관측되어 초고에너지 우주선의 원천임이 밝혀졌고, 2023년에는 정확한 거리가 측정되었다.

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게성운 펄사
기본 정보
게 성운 펄사
게 성운 펄사(허블 우주 망원경(적색), 찬드라 엑스선 관측선(청색) 조합 사진)
별자리황소자리
다른 이름초신성 잔해 G184.6-05.8
2C 481
3C 144.0
SN 1054A
4C 21.19
NGC 1952
PKS 0531+219
PSR B0531+21
PSR J0534+2200
CM Tau
천문학적 정보
종류중성자별
시선 속도적경: -11.34 ± 0.06 밀리초/년
적위: 2.65 ± 0.14 밀리초/년
연주 시차0.53 ± 0.06 밀리초
겉보기 등급16.65
절대 등급5.26
B-V 색 지수+0.47
U-B 색 지수-0.45
물리적 특징
광도0.9 L☉
표면 온도1.6×106 K (약 160만 K)
중심 온도 (모델)3×108 K (약 3억 K)
자전 주기33.5028583 밀리초 (0.0335초)
나이약 8142년
반지름약 10 킬로미터
발견 정보
최초 확인1968년
카탈로그 정보
기타 카탈로그SIMBAD
ATNF 펄사 카탈로그http://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/psrcat/proc_form.php?version=1.60&Name=Name&PMRA=PMRA&PMDec=PMDec&PX=PX&GL=GL&GB=GB&P0=P0&Dist=Dist&Dist_DM=Dist_DM&dist_dm1=dist_dm1&dist_amn=dist_amn&dist_amx=dist_a&Assoc=Assoc&startUserDefined=true&c1_val=&c2_val=&c3_val=&c4_val=&sort_attr=jname&sort_order=asc&condition=&pulsar_names=B0531%2B21&ephemeris=short&coords_unit=raj%2Fdecj&radius=&coords_1=&coords_2=&style=Short+with+errors&no_value=*&fsize=3&x_axis=&x_scale=linear&y_axis=&y_scale=linear&state=query&table_bottom.x=51&table_bottom.y=36&expert=expert&db_file= ATNF 펄사 카탈로그

2. 관측 역사

찬드라가 촬영한 게 성운의 X선 사진


게 성운은 1054년에 관측된 초신성 폭발의 잔해(SN 1054)로, 1939년에 그 정체가 밝혀졌다. 이후 과학자들은 성운 중심에 있는 별, 즉 펄서의 존재를 확인하기 위한 연구를 진행했다. 초기 연구에서는 "북쪽 후속" 별과 "남쪽 선행" 별 두 후보가 있었으나, 1942년 발터 바데는 "북쪽 후속" 별을 제외했고, 루돌프 민코프스키는 "남쪽 선행" 별이 중심별일 가능성이 높다고 주장했다.

1968년 말, 데이비드 H. 스테일린과 에드워드 C. 라이프슈타인 3세는 그린 뱅크 망원경을 통해 게 성운 근처에서 빠르게 변화하는 두 전파원(NP 0527, NP 0532)을 발견했다. 이후 아레시보 전파 천문대의 리처드 V. E. 러벌리스 연구팀은 NP 0532가 33밀리초 주기의 펄서임을 확인했으며, 이는 펄서가 빠르게 회전하는 중성자별이라는 강력한 증거가 되었다. 또한, 펄서의 회전 속도가 느려지고 있으며, 이 감속 에너지가 게 성운을 밝히는 에너지원이라는 사실도 밝혀졌다.

같은 해, 코크, 디즈니, 테일러는 애리조나 대학교 스튜어드 천문대에서 게 성운의 광학적 맥동을 관측하는 데 성공했고, 이 관측은 오디오 테이프에 기록되었다. 조셀린 벨 버넬은 1950년대 후반 한 여성이 게 성운 천체가 깜박이는 것을 관측했다는 일화를 소개하며, 당시에는 이 현상이 섬광으로 치부되었지만, 실제로는 펄서의 광학적 신호였을 가능성을 제기했다.

1967년, 찰스 시슬러는 미국 공군 레이더 시스템을 통해 게 성운 위치에서 전파 방출을 감지했지만, 기밀 유지로 인해 40년 동안 공개되지 않았다. 라이고 관측소의 데이터 분석 결과, 게 펄서는 감속 한계가 깨진 최초의 펄서로 확인되었는데, 이는 펄서의 에너지 손실이 중력파 외에 다른 메커니즘으로도 발생한다는 것을 의미한다.

2019년에는 게 성운과 펄서에서 100 TeV를 초과하는 감마선이 관측되어 초고에너지 우주선의 기원지로 확인되었다. 2023년에는 초장기선 간섭계(VLBI)를 이용한 정밀 관측으로 게 펄서까지의 정확한 거리가 측정되었다.

2. 1. 초기 관측 및 분광학적 연구

1939년에 게 성운은 SN 1054의 잔해로 확인되었다. 이후 천문학자들은 성운의 중심별을 찾기 시작했는데, 문헌에서는 "북쪽 후속"과 "남쪽 선행" 별이라는 두 후보가 언급되었다. 1942년 9월, 발터 바아데는 "북쪽 후속" 별을 후보에서 제외했지만, "남쪽 선행" 별에 대한 증거는 결정적이지 않다고 판단했다.[15]

루돌프 민코프스키는 같은 ''천체물리학 저널'' 호에서 분광학적 주장을 제기하며, "증거는 남쪽 선행 별이 성운의 중심별이라는 결론을 인정하지만 증명하지는 않는다"고 주장했다.[16]

2. 2. 전파 펄서 발견

1968년 말, 데이비드 H. 스테일린과 에드워드 C. 라이프슈타인 3세는 그린 뱅크 전파 안테나를 사용하여 게 성운 근처에서 빠르게 변하는 전파원 NP 0527과 NP 0532를 발견했다고 보고했다.[17] 같은 해 11월 10일, 아레시보 전파 천문대에서 리처드 V. E. 러벌리스와 동료들은 NP 0532의 33밀리초 주기와 위치를 확인했다.[18] [19] 이처럼 짧은 주기를 가진 펄서의 발견은 펄서가 회전하는 중성자별임을 증명했다. 게 펄서 발견 직후, 데이비드 리차드는 (아레시보 망원경을 사용하여) 펄서가 감속하고 있고, 따라서 회전 에너지를 잃고 있음을 발견했다. 토마스 골드는 펄서의 감속력이 게 성운을 구동하기에 충분함을 보였다.

윌리엄 D. 브런데이지를 포함한 연구팀은 후속 연구를 통해 NP 0532 천체가 게 성운에 위치해 있음을 발견했다.[20] 1968년 말, 소련의 천문학자 L. I. 마트베엔코도 게 성운과 일치하는 전파원을 보고했다.[21]

2. 3. 광학 펄서 발견

1968년 말, L. I. 마트베엔코는 소비에트 천문학에서 게 성운과 일치하는 전파원을 보고했다.[21] 코크, 디즈니, 테일러는 애리조나 대학교 스튜어드 천문대의 망원경을 사용하여 광학 맥동을 처음 보고했으며, 이 관측은 테이프 레코더에 기록되었다.[22] 이 테이프에는 발견 당시 존 코크, 마이클 디즈니, 밥 맥칼리스터(밤 조수)의 목소리도 기록되어 있었다.[23]

조셀린 벨 버넬은 1950년대 후반 시카고 대학교의 망원경(당시 일반인에게 공개)에서 한 여성이 게 성운 천체를 관측하고 깜박이는 것처럼 보인다는 것을 알아챘다고 전했다. 그녀가 이야기한 천문학자 엘리엇 무어는 그 효과를 섬광으로 무시했는데, 여성이 자격 있는 조종사로서 섬광을 이해하고 이것은 다른 무언가라고 주장했음에도 불구하고 그랬다. 벨 버넬은 게 성운 광학 펄서의 30 Hz 주파수는 많은 사람들이 보기 어렵다고 지적한다.[25][26]

2. 4. 추가적인 연구와 발견

1967년, 찰스 시슬러는 미국 공군 레이더 시스템을 사용하여 게 성운 위치에서 전파 방출 천체원을 감지했으나, 레이더 관측의 기밀성 때문에 40년 동안 공개적으로 보고되지 않았다.[25][27]

라이고 관측소의 데이터를 통해 게 펄서는 ''감속 한계''가 깨진 최초의 펄서로 밝혀졌다. 대부분의 펄서는 일정한 회전 주파수로 회전하지 않고 매우 느린 속도로 감속하는데, 게 펄서의 경우 초당 3.7×10-10 Hz씩 감속한다. 감속 한계는 모든 에너지 손실이 중력파로 변환된다고 가정할 때 펄서가 방출할 수 있는 중력파 진폭의 이론적 상한선이다. 예상되는 진폭과 주파수에서 중력파가 관측되지 않아 다른 메커니즘이 에너지 손실의 원인임을 알 수 있다.[28]

2019년, 게 성운과 게 펄서는 100 TeV를 초과하는 감마선을 방출하는 것으로 관측되어 초고에너지 우주선의 최초로 확인된 원천이 되었다.[29]

2023년, 초장기선 간섭계(VLBI)를 사용하여 게 펄서의 전파 거대 펄스 방출을 이용한 정밀 천체측량을 수행하여 게 펄서까지의 정확한 거리를 측정했다.[5]

3. 펄서의 특징

258px에서 800nm 파장으로 촬영한 게 성운 펄서의 펄스.]]

게 펄서는 1054년에 관측된 초신성 SN 1054에서 탄생한 중성자별이다. 1968년에 발견되었으며, 초신성 잔해인 게 성운과의 관련성이 처음으로 확인된 중성자별이다.

1970년 천문학자 커티스 미셸은 게 펄서의 특정 패턴을 설명하기 위해 행성의 존재를 가정했다. 가설상의 행성은 지구 질량의 3.28배 이상이며, 펄서로부터 0.3au 떨어져 있다고 보았다.

3. 1. 자전 주기 및 에너지 방출

1968년에 발견된 게 펄서는 33밀리초의 자전 주기를 가지는 펄서로, 1초에 약 30번 회전한다. 이 주기로 전파부터 감마선에 이르는 모든 파장의 전자기파를 방출하며, 게 성운을 가시광선으로 밝게 비춘다. 막대한 에너지를 방출하기 때문에 하루에 38나노초씩 자전이 느려진다.[30]

게 펄서는 매우 강력한 X선을 방출하며, X선 천문학에서 시간 캘리브레이션에 사용된다. "crab"과 "millicrab"은 천체의 에너지 플럭스 단위로 사용되는데, 1밀리크랩은 2.4×10-14W/m2이다.

2019년 7월, "티베트 공기 샤워 관측 장치"에서 관측된 공기 샤워로부터 450TeV의, 역사상 가장 높은 에너지를 가진 감마선이 검출되었다. 이는 게 펄서의 펄서 제트에 의해 1PeV까지 가속된 전자가 우주 마이크로파 배경 복사의 광자와 충돌하여 발생한 것으로 추정된다.

3. 2. X선 관측 및 활용

게 펄서는 매우 강력한 X선을 방출하고 있으며, X선 천문학에서 시간 캘리브레이션에 사용된다.[30] 게 펄서를 나타내는 "crab"과 "millicrab"은 천체의 에너지 플럭스 단위로 사용된다. 1밀리크랩은 이다.

4. 가설상의 행성

1970년, F. Curtis Michel영어은 게 펄서의 특정 패턴을 설명하기 위해 행성의 존재를 가정했다. 이 가설에 따르면, 행성은 지구 질량의 3.28배 이상이며 펄서로부터 0.3au 떨어져 있다.

참조

[1] 보도자료 Space Movie Reveals Shocking Secrets of the Crab Pulsar http://hubblesite.or[...] NASA 2002-09-19
[2] Gaia DR3
[3] 간행물 Optical Observations of Pulsars: the ESO Contribution https://www.eso.org/[...]
[4] 학술지 SPECTROPHOTOMETRY OF THE CRAB NEBULA AS A WHOLE https://articles.ads[...] 1987-10-01
[5] 학술지 The Radio Parallax of the Crab Pulsar: A First VLBI Measurement Calibrated with Giant Pulses 2023-08-01
[6] 서적 The Lives of the Neutron Stars Kluwer Academic 1995
[7] 데이터베이스 The Australia Telescope National Facility Pulsar Catalogue http://www.atnf.csir[...] 2005
[8] 웹사이트 Supernova 1054 – Creation of the Crab Nebula http://messier.seds.[...]
[9] 학술지 Further Data Bearing on the Identification of the Crab Nebula with the Supernova of 1054 A.D. Part I. The Ancient Oriental Chronicles 1942
[10] 간행물 Ancient records and the Crab Nebula supernova 1983
[11] 서적 Introductory Astronomy & Astrophysics Saunders College Publishing 1998
[12] 웹사이트 Supernovae, Neutron Stars & Pulsars http://cass.ucsd.edu[...]
[13] 학술지 Discovery of a radiation component from the Vela pulsar reaching 20 teraelectronvolts https://www.nature.c[...] 2023-10-05
[14] 학술지 Discovery of a radiation component from the Vela pulsar reaching 20 teraelectronvolts https://www.nature.c[...] 2023-10-05
[15] 간행물 The Crab Nebula 1942
[16] 간행물 The Crab Nebula 1942
[17] 학술지 Pulsating radio sources near the Crab Nebula 1968
[18] 웹사이트 Pulsar NP 0532 Near Crab Nebula https://ui.adsabs.ha[...] 1968
[19] 학술지 Crab nebula pulsar NP 0532 https://ui.adsabs.ha[...] 1969
[20] 간행물 Crab Nebula Pulsar NPO527 1969
[21] 간행물 Position of a Source of Small Angular Size in the Crab Nebula 1968
[22] 학술지 Discovery of Optical Signals from Pulsar NP 0532 1969
[23] 웹사이트 Moments of Discovery - A pulsar Discovery https://history.aip.[...] 2024-03-14
[24] 간행물 Optical Pulsations in the Crab Nebula Pulsar 1969
[25] 학술지 Air force had early warning of pulsars 2007
[26] 방송 Beautiful Minds: Jocelyn Bell Burnell BBC 2010-04-07
[27] 학술지 An Independent 1967 Discovery of Pulsars https://pubs.aip.org[...] 2008
[28] 학술지 Beating the spin-down limit on gravitational wave emission from the Crab pulsar 2008
[29] 학술지 First detection of photons with energy beyond 100 TeV from an astrophysical source https://inspirehep.n[...] 2019-06-13
[30] 웹사이트 複雑な構造を持つ「かに星雲」を3D映像化。パルサーを取り囲む多重構造 https://sorae.info/a[...] sorae 2023-05-12
[31] 웹인용 Space Movie Reveals Shocking Secrets of the Crab Pulsar http://hubblesite.or[...] NASA 2002-09-19


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