별 빠른 전파 폭발의 기원: 새로운 발견

빠른 전파 폭발(FRB)은 중성자별이나 블랙홀과 같은 매우 밀도가 높은 천체에서 방출되는 짧고 강렬한 전파 폭발입니다. 이 순간적인 섬광은 1000분의 1초밖에 지속되지 않지만, 엄청난 양의 에너지를 방출하여 순간적으로 은하 전체보다 더 밝게 빛날 수 있습니다. 2007년 처음 발견된 이후, 천문학자들은 우리 은하 내부에서부터 80억 광년 떨어진 곳까지 다양한 위치에서 수천 개의 FRB를 감지했습니다. 하지만 이러한 우주 전파 섬광이 어떻게 발생하는지는 여전히 명확하게 밝혀지지 않은 미스터리입니다.

 

 

새로운 관측 기법을 통한 FRB 기원 추적

최근 MIT의 천문학자들은 새로운 기법을 사용하여 최소 하나의 빠른 전파 폭발의 기원을 정확히 찾아냈습니다. 이는 다른 FRB의 기원을 밝히는 데에도 활용될 수 있는 중요한 성과입니다. 과학 저널 네이처에 발표된 새로운 연구에서 연구팀은 이전에 발견된 FRB인 FRB 20221022A에 초점을 맞추었습니다. 이 FRB는 약 2억 광년 떨어진 은하에서 감지되었습니다. 연구팀은 별이 밤하늘에서 반짝이는 것과 유사한 현상인 "섬광(scintillation)"을 분석하여 전파 신호의 정확한 위치를 더욱 정밀하게 파악했습니다. FRB 밝기의 변화를 연구한 결과, 폭발이 일부 모델에서 예측한 것처럼 훨씬 먼 곳이 아닌, 발원지 바로 근처에서 발생했음을 밝혀냈습니다.

 

 

중성자별의 자기권에서 발생한 FRB

연구팀은 FRB 20221022A가 회전하는 중성자별 바로 근처, 최대 1만 킬로미터 떨어진 지점에서 폭발했다고 추정합니다. 이는 서울과 부산 거리의 약 3배에 불과한 매우 가까운 거리입니다. 이렇게 가까운 거리에서 폭발은 초고밀도 별을 둘러싼 강력한 자기장 영역인 중성자별의 자기권에서 발생했을 가능성이 높습니다. 이번 연구 결과는 빠른 전파 폭발이 극도로 밀도가 높은 천체를 둘러싼 강력한 자기 환경인 자기권에서 발생할 수 있다는 최초의 결정적인 증거를 제공합니다. 이는 FRB의 발생 원인을 밝히는 중요한 진전으로, 향후 FRB 연구에 중요한 기반이 될 것으로 기대됩니다.

 

 

중성자별의 극한 환경과 빠른 전파 폭발

중성자별 주변 환경은 우주가 만들어낼 수 있는 자기장의 극한에 달합니다. MIT 카블리 천체물리 및 우주 연구소의 박사후 연구원이자 이번 연구의 주 저자인 켄지 님모는 "이러한 환경에서 밝은 전파 방출이 극심한 플라즈마로부터 빠져나올 수 있는지에 대한 많은 논쟁이 있었다"고 말합니다. 중성자별, 특히 마그네타라고 알려진 강력한 자기장을 가진 중성자별 주변에서는 원자가 존재할 수 없습니다. 강력한 자기장에 의해 분해되기 때문입니다. MIT 물리학 부교수인 키요시 마스이는 "여기서 흥미로운 점은 발원지 근처의 자기장에 저장된 에너지가 뒤틀리고 재구성되어 우리가 우주 반대편에서 볼 수 있는 전파로 방출될 수 있다는 것을 발견했다는 것"이라고 설명합니다. 이번 연구에는 MIT의 아담 랜먼, 시온 앤드류, 다니엘레 미칠리, 케이틀린 신과 여러 기관의 공동 연구자들이 함께 참여했습니다.

 

 

CHIME 망원경의 활약과 FRB 연구의 진전

최근 몇 년 동안 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME) 덕분에 빠른 전파 폭발의 탐지가 급증했습니다. 이 전파 망원경 배열은 각각 반원통 모양의 대형 고정 수신기 4개로 구성되어 있으며, 빠른 전파 폭발에 매우 민감한 범위 내의 전파 방출을 감지하도록 조정되어 있습니다. 2020년부터 CHIME은 우주 곳곳에서 수천 개의 FRB를 탐지했습니다. 과학자들은 일반적으로 폭발이 매우 밀도가 높은 천체에서 발생한다는 데 동의하지만, FRB를 유발하는 정확한 물리학적 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 일부 모델은 빠른 전파 폭발이 밀도가 높은 천체를 둘러싼 격렬한 자기권에서 발생해야 한다고 예측하는 반면, 다른 모델은 폭발이 중심 천체에서 멀어지는 충격파의 일부로 훨씬 더 먼 곳에서 발생해야 한다고 예측합니다. 이번 연구는 FRB가 발원지 바로 근처, 즉 중성자별의 자기권에서 발생할 수 있다는 강력한 증거를 제시함으로써, 기존의 이론적 모델들을 검증하고 FRB의 발생 원인을 규명하는 데 중요한 진전을 이루었습니다.

 

 

섬광 현상을 이용한 FRB 기원 분석

빠른 전파 폭발이 어디에서 발생하는지, 즉 밀도가 높은 천체 바로 근처인지 아니면 더 먼 곳인지 두 가지 시나리오를 구별하기 위해 연구팀은 섬광 현상을 고려했습니다. 섬광은 별과 같은 작고 밝은 광원에서 나온 빛이 은하의 가스와 같은 매질을 통과할 때 발생하는 효과입니다. 별빛이 가스를 통과하면서 굴절되어 멀리 있는 관측자에게는 별이 반짝이는 것처럼 보이게 됩니다. 물체가 작거나 멀리 있을수록 더 많이 반짝입니다. 반대로 우리 태양계의 행성처럼 크거나 가까운 물체에서 나오는 빛은 굴절이 적어 반짝이는 것처럼 보이지 않습니다. 연구팀은 FRB의 섬광 정도를 추정할 수 있다면 FRB가 발생한 영역의 상대적인 크기를 결정할 수 있다고 판단했습니다. 영역이 작을수록 폭발은 발원지에 더 가까워지고, 자기적으로 격렬한 환경에서 발생했을 가능성이 높아집니다. 반대로 영역이 클수록 폭발은 더 멀리 떨어져 있으며, FRB가 멀리 떨어진 충격파에서 발생한다는 아이디어를 뒷받침합니다.

 

 

FRB 20221022A 분석 결과

이 아이디어를 검증하기 위해 연구진은 2022년 CHIME이 탐지한 빠른 전파 폭발인 FRB 20221022A를 분석했습니다. 이 신호는 약 2밀리초 동안 지속되며 밝기 면에서 비교적 평범한 FRB입니다. 그러나 맥길 대학교의 공동 연구팀은 FRB 20221022A가 한 가지 두드러진 특징을 보인다는 것을 발견했습니다. 폭발에서 나온 빛이 높은 편광을 나타냈으며, 편광 각도가 부드러운 S자 곡선을 그리는 것으로 나타났습니다. 이 패턴은 FRB 방출 지점이 회전하고 있다는 증거로 해석됩니다. 이는 과거에 강한 자기장을 가진 회전하는 중성자별인 펄사에서 관측된 특징입니다. 빠른 전파 폭발에서 이와 유사한 편광이 관측된 것은 이번이 처음이며, 이는 신호가 중성자별의 아주 가까운 근처에서 발생했을 가능성을 시사합니다. 맥길 대학교 연구팀의 결과는 오늘 네이처에 함께 발표된 논문에 실렸습니다. 이러한 분석 결과들은 FRB가 중성자별의 극히 가까운 영역에서 발생할 가능성을 강력하게 뒷받침하며, 기존의 이론적 모델들을 수정하고 FRB의 발생 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

 

 

섬광 분석을 통한 FRB 기원 입증

MIT 연구팀은 FRB 20221022A가 중성자별 근처에서 발생했다면 섬광 현상을 이용하여 이를 입증할 수 있다고 판단했습니다. 새로운 연구에서 님모와 동료들은 CHIME의 데이터를 분석하여 섬광을 나타내는 급격한 밝기 변화, 즉 FRB가 반짝이는 현상을 관측했습니다. 그들은 망원경과 FRB 사이에 전파를 굴절시키고 걸러내는 가스가 있다는 것을 확인했습니다. 연구팀은 이 가스가 어디에 위치할 수 있는지 확인한 결과, FRB의 모은하 내의 가스가 관측된 섬광의 일부를 유발했다는 것을 밝혀냈습니다. 이 가스는 자연 렌즈 역할을 하여 연구자들이 FRB 발생 지점을 확대하여 약 1만 킬로미터 폭의 매우 작은 영역에서 폭발이 발생했다는 것을 확인할 수 있도록 했습니다.

 

 

FRB 발생 지점의 정밀한 측정

님모는 "이는 FRB가 발원지에서 수십만 킬로미터 이내에 있을 가능성이 높다는 것을 의미한다"고 말합니다. "이는 매우 가까운 거리입니다. 비교하자면, 충격파에서 발생했다면 신호가 수천만 킬로미터 이상 떨어져 있을 것으로 예상되며, 섬광은 전혀 관측되지 않을 것입니다." 마스이는 "2억 광년 거리에서 1만 킬로미터 영역을 확대하는 것은 달 표면에서 약 2나노미터 폭의 DNA 이중 나선 구조의 폭을 측정하는 것과 같다"며 "엄청난 규모의 차이가 있다"고 설명합니다. 연구팀의 결과는 맥길 대학교 연구팀의 결과와 함께 FRB 20221022A가 밀도가 높은 천체의 외곽에서 발생했을 가능성을 배제합니다. 대신, 이 연구들은 빠른 전파 폭발이 매우 혼란스러운 자기 환경인 중성자별 아주 가까이에서 발생할 수 있다는 것을 처음으로 입증합니다.

 

 

향후 FRB 연구의 전망

마스이는 "이러한 폭발은 항상 발생하고 있으며 CHIME은 하루에 여러 개를 탐지한다"며 "폭발이 어떻게 어디에서 발생하는지에 대한 많은 다양성이 있을 수 있으며, 이 섬광 기술은 이러한 폭발을 유발하는 다양한 물리학적 현상을 밝히는 데 매우 유용할 것"이라고 말합니다. 이번 연구는 섬광이라는 현상을 이용하여 FRB의 발생 위치를 정확하게 특정함으로써, FRB의 발생 원인과 메커니즘을 이해하는 데 획기적인 진전을 이루었습니다. 향후 이러한 연구들이 축적되면 FRB의 다양한 유형과 발생 원인을 더욱 명확하게 규명할 수 있을 것으로 기대됩니다.