우주 은하에서 빠른 전파 폭발의 기원을 밝히다

2007년 발견 이후, 극도로 강력한 전파 주파수 빛의 펄스인 빠른 전파 폭발(Fast Radio Burst, FRB)은 하늘을 반복적으로 밝히며 천문학자들을 그 기원을 밝히기 위한 추적에 나서게 했다.

현재, 확인된 FRB는 수백 개에 달하며, 과학자들은 자기장이 매우 강한 중성자별인 마그네타(magnetar)가 이를 촉발하는 원인이라는 증거를 모으고 있다.

중요한 증거 중 하나는 우리 은하에서 마그네타가 폭발했을 때 캘리포니아 공과대학의 STARE2 프로젝트를 포함한 여러 관측소가 실시간으로 이 현상을 포착한 것이다.

이제 캘리포니아 공과대학이 주도하는 연구원들은 Nature 저널에 보고된 바와 같이, FRB가 우주에서 더 많이 발생하는 곳, 즉 저질량 은하보다는 거대한 별 형성 은하에서 발생할 가능성이 더 높다는 것을 발견했다.

 

이 발견은 마그네타 자체가 어떻게 형성되는지에 대한 새로운 아이디어로 이어졌다.

구체적으로, 이 연구는 이러한 극단적인 죽은 별들이 두 개의 별이 합쳐진 후 초신성으로 폭발할 때 자주 형성된다는 것을 시사한다.

이전에는 마그네타가 두 개의 합쳐진 별의 폭발에서 형성되는지, 아니면 단일 별의 폭발에서 형성되는지 불분명했다.

 

 

거대한 별 형성 은하에서 탄생하는 강력한 마그네타

"마그네타의 엄청난 출력은 그것들을 우주에서 가장 매혹적이고 극단적인 물체 중 하나로 만듭니다,"라고 이번 연구의 주저자이자 캘리포니아 공과대학의 천문학 조교수인 Vikram Ravi와 함께 일하는 대학원생인 Kritti Sharma는 말했다.

"거대한 별의 죽음으로 마그네타가 어떻게 형성되는지는 거의 알려져 있지 않습니다.

우리의 연구는 이 질문에 답하는 데 도움이 됩니다."

이 프로젝트는 캘리포니아 공과대학의 Deep Synoptic Array-110 (DSA-110)을 사용한 FRB 검색으로 시작되었다.

 

DSA-110은 미국 국립과학재단의 지원을 받아 캘리포니아 주 비숍 근처의 오웬스 밸리 전파 관측소에 기반을 두고 있다.

지금까지 이 광범위한 전파 배열은 70개의 FRB를 감지하고 특정 기원 은하로 국한시켰다(다른 망원경에 의해 국한된 다른 23개의 FRB만 존재).

 

현재 연구에서 연구원들은 이러한 국한된 FRB 중 30개를 분석했다.

"DSA-110은 알려진 숙주 은하의 수를 두 배 이상 늘렸습니다,"라고 Ravi는 말했다.

"이것이 우리가 배열을 구축한 이유입니다."

 

FRB는 활발하게 별을 형성하는 은하에서 발생하는 것으로 알려져 있지만, 연구팀은 놀랍게도 FRB가 저질량 별 형성 은하보다 거대한 별 형성 은하에서 더 자주 발생한다는 것을 발견했다.

천문학자들은 이전에 FRB가 모든 유형의 활성 은하에서 발생한다고 생각했기 때문에 이것만으로도 흥미로웠다.

 

 

빠른 전파 폭발의 새로운 단서: 금속이 풍부한 환경

이 새로운 정보를 바탕으로 연구팀은 FRB에 대한 결과가 무엇을 시사하는지 깊이 생각하기 시작했다.

거대한 은하는 우주에서 금속(별에 의해 생성된 원소)이 우주 역사를 통해 축적되는 데 시간이 걸리기 때문에 금속이 풍부한 경향이 있다.

 

FRB가 이러한 금속이 풍부한 은하에서 더 흔하다는 사실은 FRB의 원천인 마그네타도 이러한 유형의 은하에서 더 흔하다는 것을 의미한다.

천문학적 용어로 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 의미하는 금속이 풍부한 별은 다른 별보다 더 커지는 경향이 있다.

"시간이 지남에 따라 은하가 성장함에 따라 별의 연속적인 세대는 진화하고 죽어가면서 금속으로 은하를 풍부하게 합니다,"라고 Ravi는 말한다.

더욱이, 초신성으로 폭발하고 마그네타가 될 수 있는 거대한 별은 쌍성계에서 더 흔하게 발견된다.

 

실제로 거대한 별의 84%는 쌍성계이다.

따라서 쌍성계의 거대한 별 하나가 추가적인 금속 함량으로 부풀어 오르면, 그 과잉 물질이 파트너 별로 끌려가 두 별의 궁극적인 합병을 촉진한다.

이러한 합쳐진 별들은 단일 별보다 더 큰 결합 자기장을 가질 것이다.

 

"금속 함량이 많은 별은 부풀어 올라 질량 전달을 유도하여 결국 합병되고, 개별 별이 가질 수 있는 것보다 더 큰 총 자기장을 가진 더 거대한 별을 형성합니다,"라고 Sharma는 설명합니다.

요약하면, FRB가 거대하고 금속이 풍부한 별 형성 은하에서 우선적으로 관측되기 때문에, 마그네타(FRB를 촉발하는 것으로 생각됨)도 두 별의 합병에 유리한 금속이 풍부한 환경에서 형성될 가능성이 높다.

따라서 이러한 결과는 우주 전체의 마그네타가 별의 합병 잔해에서 유래한다는 것을 시사한다.

 

향후 연구팀은 DSA-110과 궁극적으로 2028년에 완공될 예정인 네바다 사막에 건설될 더 큰 전파 배열인 DSA-2000을 사용하여 더 많은 FRB와 그 기원을 찾기를 희망한다.

"이 결과는 전체 DSA 팀에게는 이정표입니다.

이 논문의 많은 저자들이 DSA-110을 만드는 데 도움을 주었습니다,"라고 Ravi는 말합니다.

"그리고 DSA-110이 FRB를 국한시키는 데 매우 뛰어나다는 사실은 DSA-2000의 성공을 위한 좋은 징조입니다."