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다중 신호 천문학

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목차

1. 개요

다중 신호 천문학은 다양한 유형의 신호, 즉 전자기파, 중력파, 중성미자, 우주선을 결합하여 천체를 관측하는 천문학 분야이다. 여러 관측 네트워크를 통해 초신성, 중성자별 병합, 블레이저, 조석 파괴 현상 등 다양한 우주 현상을 연구하며, 1987년 초신성 SN 1987A 관측, 2017년 중력파 GW170817 관측, 2023년 은하수 중성미자 지도 제작 등 주요 성과를 이루었다.

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다중 신호 천문학
개요
분야천문학, 물리학
관련 학문우주론, 입자물리학, 중력파 천문학, 중성미자 천문학, 전자기파 천문학, 우주선 천문학
목표다양한 신호를 이용하여 천체 현상 이해
신호 종류
전자기파전파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선
입자중성미자, 우주선
중력파중력파
역사
초기전자기파를 이용한 천문학 (수 세기)
발전20세기 이후 중성미자, 우주선 관측 시작
최근중력파 관측 기술 발전
주요 연구
연구 대상블랙홀, 중성자별, 초신성, 활동은하핵, 감마선 폭발
연구 방법다양한 신호의 동시 관측 및 분석
주요 시설
전자기파 망원경다양한 파장대의 전자기파 관측 시설
중성미자 검출기아이스큐브, 슈퍼 카미오칸데
중력파 검출기라이고, 비르고
관련 용어
용어MAMGr (다중 신호 천문학적 경보 그룹)

2. 관측 네트워크

다중 신호 천문학 연구에서는 서로 다른 종류의 신호나 동일한 신호를 관측하는 여러 관측소의 데이터를 통합하고 분석하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 국제적인 협력을 바탕으로 다양한 관측 네트워크가 구축되어 운영되고 있다.

대표적인 예로는 초신성 폭발 시 발생하는 중성미자를 여러 검출기에서 동시에 감지하여 경보를 발령하는 초신성 조기 경보 시스템(SNEWS), 다양한 종류의 관측 데이터를 실시간으로 공유하고 처리하여 단일 관측기로는 놓칠 수 있는 약한 신호까지 포착하려는 천체 물리학 다중 메신저 관측소 네트워크(AMON), 그리고 중력파 검출 속보에 맞춰 전자기파 관측을 수행하는 일본의 J-GEM(Japanese Collaboration for Gravitational-Wave Electro-Magnetic Follow-up) 등이 있다. 이러한 네트워크들은 개별 관측소만으로는 얻기 어려운 정보를 종합하여 천문 현상에 대한 이해를 심화시키는 데 기여한다.

2. 1. 초신성 조기 경보 시스템 (SNEWS)

초신성 조기 경보 시스템 (SNEWS)은 1999년 브룩헤븐 국립 연구소에서 설립된 네트워크이다. 이 시스템은 여러 중성미자 검출기의 정보를 종합하여 초신성 폭발에 대한 경보를 생성하고 속보를 전달하는 것을 목표로 한다. 2005년부터는 운영이 자동화되었다. (관련 분야: 중성미자 천문학)

2. 2. 천체 물리학 다중 메신저 관측소 네트워크 (AMON)

천체 물리학 다중 메신저 관측소 네트워크(AMON)[10]는 2013년 펜실베이니아 주립 대학교를 중심으로 시작된 프로젝트이다.[11][33] 이 프로젝트는 여러 관측소에서 얻은 예비 관측 데이터를 실시간으로 공유하고 즉시 처리함으로써, 개별 관측 장비 하나만으로는 감지하기 어려운 매우 약한 신호, 즉 '임계 미만'의 천문 현상을 찾아내는 것을 목표로 한다. 이를 통해 관측 감도를 실질적으로 높이려는 광범위하고 야심 찬 시도라고 할 수 있다.

2. 3. J-GEM (Japanese Collaboration for Gravitational-Wave Electro-Magnetic Follow-up)

J-GEM(Japanese Collaboration for Gravitational-Wave Electro-Magnetic Follow-up)[34]은 일본의 대학 및 연구기관이 운용하는 광학 망원경, 적외선 망원경, 전파 망원경 등을 연계하여 중력파 검출 속보에 대응하고, 그에 해당하는 전자기파 천체를 검출하고 관측하는 네트워크이다. 중성자별 쌍성의 합체로 발생한 중력파 GW170817의 경우, 국립 천문대가 운용하는 스바루 망원경과 나고야 대학 등이 남아프리카 공화국에 설치한 IRSF 망원경을 통해 대응 천체 관측에 성공했다. 이 관측을 통해 중성자별 쌍성 합체 과정에서 중원소가 합성되는 과정을 밝혀냈으며, 이것이 r-과정임을 확인했다.[35]

3. 주요 성과

다중 신호 천문학은 서로 다른 종류의 신호(전자기파, 중력파, 중성미자, 우주선 등)를 동시에 관측하여 우주 현상을 더 깊이 이해하려는 연구 분야이다. 주요 성과는 다음과 같다.


  • '''1940년대''': 일부 우주선이 태양 플레어 활동과 관련되어 생성된다는 사실이 밝혀졌다.[12]
  • '''1987년''': 대마젤란 은하에서 발생한 초신성 SN 1987A는 가시광선으로 관측되기 몇 시간 전에 여러 중성미자 검출기(가미오칸데-II, IMB, 박산)에서 초신성 중성미자가 먼저 검출되었다. 이는 중성미자 천문학의 중요한 성과로 기록되었다.
  • '''2017년 8월''': 은하 NGC 4993에서 일어난 중성자별 병합 현상은 중력파 신호(GW170817)와 짧은 감마선 폭발(GRB 170817A), 그리고 후속 전자기파 신호(SSS17a)를 동시에 발생시켰다. LIGO와 Virgo에서 중력파가 감지된 것을 시작으로, 페르미 감마선 우주 망원경, 인테그랄, 허블 우주 망원경 등 여러 관측 장비들이 후속 관측에 성공했다.[13][36] 이는 중력파와 전자기파 신호가 동일한 천체 현상에서 관측된 최초의 사례로, 다중 신호 천문학의 새로운 시대를 열었다고 평가받는다.[13]
  • '''2017년 9월''': IceCube 중성미자 관측소는 초고에너지 중성미자(IceCube-170922A)를 검출하고 그 발생 추정 방향을 알렸다.[17][18][19] 이후 페르미 감마선 우주 망원경과 MAGIC 망원경 등이 해당 방향에서 높은 에너지의 감마선 방출을 확인했으며, 이는 블레이자 TXS 0506+056과 위치가 일치했다.[1][20] 이 사건은 중성미자 관측을 통해 특정 천체의 위치를 파악하고, 고에너지 우주선의 기원을 밝혀낸 최초의 사례로 기록되었다.[23][24][25]
  • '''2019년 10월'''과 '''11월''': IceCube는 두 차례에 걸쳐 고에너지 중성미자를 검출했으며, 후속 관측을 통해 이들이 각각 조석 파괴 현상인 AT2019dsg[28]와 AT2019fdr[29]과 관련되었을 가능성이 제기되었다.
  • '''2023년 6월''': 천문학자들은 새로운 분석 기술을 이용하여 IceCube 데이터를 분석한 결과, 우리 은하의 은하 평면 전체에서 방출되는 중성미자 신호를 처음으로 확인하고, 이를 바탕으로 최초의 중성미자 기반 은하수 지도를 제작했다.[31][32]

3. 1. 1987년: 초신성 1987A

1987년에 발생한 SN 1987A는 광학 망원경으로 관측되었을 뿐만 아니라, 초신성 중성미자 방출이 여러 중성미자 검출기에 의해 확인되었다. 가미오칸데-II, IMB, 박산과 같은 중성미자 관측소들은 가시광선으로 초신성이 관측되기 몇 시간 전에 중성미자를 먼저 감지했다. 이 사건은 중성미자 천문학의 발전에 중요한 계기가 되었다.

3. 2. 2017년: 중성자별 충돌 GW170817

2017년 8월, 은하 NGC 4993에서 발생한 중성자별 병합은 중력파 신호 GW170817을 생성했으며, 이는 LIGO와 Virgo 협력 연구진에 의해 관측되었다.[13][36] 이 중력파 신호가 감지된 지 1.7초 후, 감마선 폭발 GRB 170817A가 페르미 감마선 우주 망원경과 인테그랄 위성에 의해 관측되었다.[13][36]

중력파 관측 후 약 11시간 뒤, 라스 캄파나스 천문대에서 이 사건의 광학적 대응 천체인 SSS17a가 처음으로 발견되었고, 이후 허블 우주 망원경과 Dark Energy Camera 등 여러 망원경에 의해서도 관측되었다.[13][36] 또한, 닐 게럴스 스위프트 천문대에 의한 자외선 관측, 찬드라 X선 우주 망원경에 의한 X선 관측, 그리고 칼 G. 잰스키 초거대 배열(VLA)을 통한 전파 관측이 이루어져 다양한 파장에서의 후속 관측이 진행되었다.[13][36]

이 사건은 중력파와 전자기파(감마선, X선, 자외선, 가시광선, 전파 등) 신호가 동일한 천체 현상에서 동시에 관측된 최초의 사례로, 다중 신호 천문학 분야에서 중요한 이정표를 세웠다.[13][36] 한편, 이 현상과 관련된 중성미자는 검출되지 않았는데, 이는 제트가 지구 방향에서 크게 벗어난 축을 따라 방출되었기 때문으로 추정된다.[14] 2020년 10월에는 천문학자들이 GW170817/GRB 170817A/SSS17a에서 지속적인 X선 방출이 관측되고 있음을 보고하기도 했다.[15]

3. 3. 2017년: 블레이자 TXS 0506+056

2017년 9월 22일, IceCube 협력 연구진은 약 290 TeV에 달하는 초고에너지[16] 중성미자 사건인 IceCube-170922A[17]를 기록했다.[18][19] IceCube는 잠재적 근원에 대한 좌표와 함께 경고를 보냈고, 이후 여러 관측이 이어졌다. Fermi-LAT 협력 연구진은 100 MeV 이상의 감마선을 관측했으며,[20] MAGIC 협력 연구진은 100 GeV에서 400 GeV 사이의 감마선을 관측했다(각각 9월 28일과 10월 4일에 보고됨). 이러한 관측 결과는 블레이자 TXS 0506+056의 위치와 일치하는 것으로 밝혀졌다.[1]

이 현상은 블레이저 제트 내에서 가속된 초고에너지 양성자가 주변 물질과 상호작용하여 중성 파이온과 전하를 띤 파이온을 생성하는 과정으로 설명될 수 있다. 중성 파이온은 감마선으로 붕괴하고, 전하를 띤 파이온은 중성미자로 붕괴하여 관측된 신호들을 만들어낸 것으로 추정된다.[22] 이 사건은 중성미자 검출기를 이용하여 우주에 있는 특정 천체를 식별하고, 우주선의 기원을 확인한 최초의 사례라는 점에서 중요한 의미를 갖는다.[23][24][25][26][27]

3. 4. 2019년: 조석 파괴 현상 AT2019dsg

2019년 10월 1일에 IceCube에서 고에너지 중성미자가 감지되었으며(2021년 2월 발표), 가시광선, 자외선, X선 및 전파에서의 후속 측정을 통해 조석 파괴 현상 AT2019dsg를 잠재적 근원으로 확인했다.[28]

3. 5. 2019년: 조석 파괴 현상 AT2019fdr

2022년 6월 발표에 따르면, 2019년 11월 조석 파괴 현상인 AT2019fdr과 관련된 두 번째 고에너지 중성미자가 IceCube에 의해 감지되었다.[29]

3. 6. 2023년: 은하수 중성미자 지도

2023년 6월, Naoko Kurahashi Neilson이 이끄는 천문학자들은 새로운 캐스케이드 중성미자 기술을 사용하여[30] 은하수 은하의 은하 평면에서 중성미자 방출을 최초로 감지하였고, 이를 통해 첫 번째 중성미자 기반 은하 지도를 만들었다.[31][32]

참조

[1] 서적 Multimessenger Astronomy IOP Publishing
[2] 논문 Multimessenger Astronomy with Neutrinos
[3] 논문 Multi-messenger astronomy: gravitational waves, neutrinos, photons, and cosmic rays
[4] 논문 Implications for the origins of GRB 051103 from the LIGO observations
[5] 웹사이트 Core-Collapse Supernova Gravitational Wave Signature Catalog https://www.astro.pr[...] Supernova Theory Group
[6] 웹사이트 No neutrino emission from a binary neutron star merger https://icecube.wisc[...] 2017-10-16
[7] 논문 Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068 https://www.science.[...] 2022-11-04
[8] 웹사이트 IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy https://icecube.wisc[...] 2022-11-23
[9] 논문 Candidate Tidal Disruption Event AT2019fdr Coincident with a High-Energy Neutrino https://link.aps.org[...] 2022-06-03
[10] 웹사이트 AMON home page http://amon.gravity.[...] 2017-10-15
[11] 논문 The Astrophysical Multimessenger Observatory Network (AMON) https://ntrs.nasa.go[...] 2013-05
[12] 서적 Particles and Astrophysics: A Multi-Messenger Approach Springer
[13] 뉴스 NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event https://www.jpl.nasa[...] 2017-10-16
[14] 논문 Search for high-energy neutrinos from binary neutron star merger GW170817 with ANTARES, IceCube, and the Pierre Auger Observatory 2017-10-16
[15] 웹사이트 Astronomers Detect Eerie Glow Still Radiating From Neutron Star Collision Years Later https://www.sciencea[...] 2023-01-04
[16] 논문 The New Era of Multimessenger Astronomy 2017-09-22
[17] URL https://gcn.gsfc.nas[...] 2022-03
[18] 논문 Ghostly particle caught in polar ice ushers in new way to look at the universe https://www.science.[...] 2018-07-12
[19] 논문 Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert 2018-07-12
[20] 웹사이트 ATel #10791: Fermi-LAT detection of increased gamma-ray activity of TXS 0506+056, located inside the IceCube-170922A error region http://www.astronome[...]
[21] 웹사이트 ATel #10817: First-time detection of VHE gamma rays by MAGIC from a direction consistent with the recent EHE neutrino event IceCube-170922A http://www.astronome[...] Astronomerstelegram.org 2017-10-04
[22] 서적 Introduction to particle and astroparticle physics (multimessenger astronomy and its particle physics foundations) Springer
[23] 논문 Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A 2018-07-12
[24] 논문 Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert 2018-07-12
[25] 뉴스 It Came From a Black Hole, and Landed in Antarctica - For the first time, astronomers followed cosmic neutrinos into the fire-spitting heart of a supermassive blazar. https://www.nytimes.[...] 2018-07-12
[26] 웹사이트 Neutrino that struck Antarctica traced to galaxy 3.7bn light years away https://www.theguard[...] 2018-07-12
[27] 웹사이트 Source of cosmic 'ghost' particle revealed https://www.bbc.co.u[...] 2018-07-12
[28] URL A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino https://www.nature.c[...]
[29] 논문 Neutrinos from a Black Hole Snack https://physics.aps.[...] 2022-06-03
[30] 논문 Milky Way Viewed through Neutrinos Physics 16, 115 (29 June 2023) 2023
[31] 뉴스 Neutrinos Build a Ghostly Map of the Milky Way - Astronomers for the first time detected neutrinos that originated within our local galaxy using a new technique. https://www.nytimes.[...] 2023-06-30
[32] 논문 Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane https://www.science.[...] 2023-06-30
[33] URL AMON home page http://amon.gravity.[...]
[34] URL 新学術領域研究・計画研究A02「天体重力波の光学赤外線対応現象の探索」（広島大学） http://jgem.hiroshim[...]
[35] URL すばる望遠鏡プレスリリース「重力波天体が放つ光を初観測―日本の望遠鏡群が捉えた重元素の誕生の現場―」 https://www.naoj.org[...]
[36] 뉴스 連星中性子星の合体からの重力波を初検出、電磁波で重力波源を初観測 https://www.astroart[...] アストロアーツ 2017-10-17
[37] 서적 Multimessenger Astronomy IOP Publishing
[38] 저널 Multimessenger Astronomy with Neutrinos
[39] 저널 Multi-messenger astronomy: gravitational waves, neutrinos, photons, and cosmic rays
[40] 저널 Implications for the origins of GRB 051103 from the LIGO observations


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