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킬로노바

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목차

1. 개요

킬로노바는 중력파를 방출하는 두 밀집성의 궤도 붕괴 및 충돌로 발생하는 폭발 현상이다. 1998년 이론적 배경이 제안되었으며, 중성자별 합병으로 방출되는 방사성 물질이 열적 과도 현상을 일으키는 것이 특징이다. 킬로노바라는 용어는 2010년에 처음 사용되었으며, 신성의 1000배에 달하는 밝기를 나타낸다. 2017년 LIGO와 Virgo는 중성자별 쌍성계 합병으로 인한 중력파 GW170817을 최초로 검출했으며, 허블 우주 망원경으로 킬로노바 현상을 관측했다.

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킬로노바

2. 이론

중력파를 내보내는 주요 원인이기도 한 두 밀집성의 궤도 붕괴 및 충돌은 우주에 R-과정을 통해 원소를 생성하는 주요 원인으로 여겨지며, 이 때 일어나는 폭발이 킬로노바이다.[35][41] 킬로노바 현상의 이론적인 배경은 1998년 제안되었다.[42]

두 개의 작고 매우 밀도가 높은 중성자별이 중력파 복사를 통해 병합되어 킬로노바 폭발로 이어지는 애니메이션


중성자별 합병으로 인한 열적 과도 현상의 존재는 1998년 보흐단 파친스키와 Li에 의해 처음 소개되었다.[16] 이들은 중성자별 병합에서 방출되는 방사성 물질이 열적 과도 현상 방출의 원천이며, 이후 "킬로노바"라고 불린다고 제안했다.[17]

두 컴팩트 천체가 나선 궤도를 그리며 병합하는 현상은 강력한 중력파의 원천이다.[15] 두 컴팩트 별이 합쳐질 때, 질량이 가벼운 쪽의 천체는 무거운 쪽의 천체의 조석력에 의해 파괴된다. 파괴된 천체의 대부분의 물질은 무거운 천체의 강착원반이 되지만, 태양 질량(M☉)의 0.001배에서 0.1배 정도의 질량은 광속의 0.1배에서 0.2배라는 속도로 등방적으로 방출된다. 이때 r-과정을 거쳐 생성된 중성자 과잉 핵은 불과 몇 초 만에 핵분열과 베타 붕괴를 거쳐 원소로 변환된다. 이 새롭게 합성된 방사성 원소의 붕괴와 그에 의해 발생하는 방사선이, 1034J/s에서 1035.5J/s의 광도를 동반하며 반나절에서 열흘에 걸쳐 지속되는 폭발을 유지한다.

r-과정에서 생성되는 질량수 130 이상의 원소의 일부는, 초신성 폭발에서 생성되는 양으로는 성간 물질 중의 관측치를 설명할 수 없을 정도로 부족하며, 킬로노바는 이러한 물질의 생성원으로 유력하게 여겨지고 있다.

3. 관측

허블 우주 망원경이 관측한 GW170817의 기원 천체는 킬로노바가 일어난 곳이다.[43] 2008년 짧은 감마선 폭발 GRB 080503에서 킬로노바의 첫 징후가 관측되었는데,[44] 발생 하루 후 가시광선 및 적외선이 감지되었으며 급격히 어두워졌다. 2013년 발생한 짧은 감마선 폭발 GRB 130603B 또한 킬로노바일 가능성이 제기되었다.[35]

2017년 10월 16일 최초로 중력파 GW170817와 전자기 방사선 GRB 170817A 및 SSS17a을 동시에 관측하여,[45] 원인이 두 중성자별의 충돌로 발생한 킬로노바임을 밝혀냈다.[46]

두 개의 충돌하는 중성자별에 의해 생성된 킬로노바


AT 2017gfo의 관측은 이것이 킬로노바의 첫 번째 결정적인 관측임을 확인했다.[9] AT2017gfo의 스펙트럼 모델링은 ''r''-과정 원소인 스트론튬과 이트륨을 확인했는데, 이는 중성자별 합병과 중원소의 형성을 결정적으로 연결해준다.[10][11]



허블 우주 망원경이 관측한 GRB160821B에서 희미해지는 킬로노바


2018년 10월, 천문학자들은 2015년에 감지된 감마선 폭발 사건인 GRB 150101B가 GW170817과 유사할 수 있다고 보고했다. 두 사건의 유사성은 감마선, 가시광선, X선 방출뿐만 아니라 관련된 호스트 은하의 특성과 관련하여 "놀랍다"고 여겨지며, 킬로노바 사건이 이전에 이해된 것보다 우주에서 더 다양하고 흔할 수 있음을 시사한다.[20][21][22][23] 2016년 8월에 감지된 감마선 폭발인 GRB 160821B도 AT2017gfo와 데이터가 유사하여 킬로노바 때문이었던 것으로 현재 여겨진다.[24]

킬로노바는 또한 장주기 감마선 폭발 GRB 211211A를 일으킨 것으로 생각되는데, 이는 2021년 12월 스위프트의 폭발 경보 망원경(BAT)과 페르미 감마선 폭발 모니터 (GBM)에 의해 발견되었다.[25][26] 지속 시간이 각각 약 64초와 35초인 GRB 191019A (2019)[30]와 GRB 230307A (2023)[31][32]도 중성자별 충돌에서 발생하는 이 종류의 장주기 GRB에 속한다고 주장되었다.[33]

2023년에는 GRB 230307A가 관측되었으며 텔루륨과 란타넘족과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다.[34]

3. 1. 중력파 검출

2017년 10월 16일, 미국의 중력파 망원경 LIGO와 유럽의 Virgo 공동 관측팀은 중성자별 연성계의 합체에 의한 중력파 (GW170817)를 발견했다. 파형 분석 결과, 중성자별끼리의 합체로 발생한 것으로 나타났다.

공동 실험팀은 전 세계 연구팀에 경보를 보내 70개 이상의 관측 시설이 중력파가 감지된 영역을 관측했다. 11시간 후, 여러 관측 시설이 이 중력파원 천체에 대응하는 것으로 보이는 천체를 발견했다. 일본의 중력파 추적 관측팀 J-GEM은 스바루 망원경의 초광시야 주 초점 카메라 HSC (Hyper Suprime-Cam)를 시작으로, 국내외 망원경 및 ISS에 탑재된 전천 X선 감시 장치 (MAXI)와 칼로리미터형 우주 전자선 망원경 (CALET)을 동원하여 가시광선에서 X선, 감마선에 이르는 넓은 파장대에서 중력파원 천체를 탐색했다. 그 결과, 바다뱀자리 은하 NGC 4993에서 가시광선에서 근적외선 영역에서 빛나는 천체의 모습을 포착하는 데 성공했다. 이는 GW170817에 대응하는 천체로 보고된 것과 일치한다.

GW170817에서 관측된 현상은 중성자별 연성계의 합체로 인해 일어나는 중력파, 감마선 폭발, r-과정에서 생성된 방사성 물질의 붕괴로 발생하는 전자기파와 같이 이론상 예측되었던 킬로노바의 특징과 일치했다.

참조

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[2] 논문 The multi-messenger picture of compact binary mergers https://www.worldsci[...] 2015-04-01
[3] 논문 On the Blackbody Spectrum of Kilonovae 2023-09-01
[4] 웹사이트 Hubble captures infrared glow of a kilonova blast http://www.spacetele[...] spacetelescope.org 2013-08-05
[5] 논문 A 'kilonova' associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B
[6] 논문 GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral 2017-10-16
[7] 논문 Gravitational waves: A golden binary 2017-10-16
[8] 논문 Focus on the Electromagnetic Counterpart of the Neutron Star Binary Merger GW170817 http://iopscience.io[...] 2017-10-16
[9] 논문 Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger 2017-10-16
[10] 논문 Identification of strontium in the merger of two neutron stars https://www.nature.c[...] 2019-10
[11] 논문 Discovery of a 760 nm P Cygni line in AT2017gfo: Identification of yttrium in the kilonova photosphere https://www.aanda.or[...] 2023-07-01
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[21] 논문 A luminous blue kilonova and an off-axis jet from a compact binary merger at z = 0.1341 2018-10-16
[22] 뉴스 GRB 150101B: A Distant Cousin to GW170817 https://www.nasa.gov[...] 2018-10-16
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[24] 웹사이트 This is what it looks like when an explosion creates gold in space https://www.cnn.com/[...] 2019-08-27
[25] 웹사이트 NASA's Swift, Fermi Missions Detect Exceptional Cosmic Blast http://www.nasa.gov/[...] 2022-10-13
[26] 웹사이트 Kilonova Discovery Challenges our Understanding of Gamma-Ray Bursts https://www.gemini.e[...] 2022-12-07
[27] 웹사이트 Unusual, long-lasting gamma-ray burst challenges theories about these powerful cosmic explosions that make gold, uranium and other heavy metals http://theconversati[...] 2022-12-21
[28] 논문 A kilonova following a long-duration gamma-ray burst at 350 Mpc https://www.nature.c[...] 2022-12-08
[29] 논문 A nearby long gamma-ray burst from a merger of compact objects 2022-12-08
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