감마선폭발

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질량이 큰 항성의 일생. 항성은 가벼운 원소를 무거운 원소로 핵융합 하여 내부 압력을 유지면서 삶을 이어한다. 더이상 핵융합이 불가능해지면 압력이 유지되지 않아 자체 중력으로 인해 항성은 급격히 붕괴하여 블랙홀을 형성한다. 이론적으로, 이 붕괴가 일어날 때 항성의 자전축 방향으로 분출되는 에너지가 감마선폭발을 형성할 것으로 생각된다.

감마선폭발(gamma ray burst; GRB)[1]이란 멀리 떨어진 은하들에서 관측되는, 무지막지한 에너지의 폭발로 인한 감마선의 섬광이다. 감마선폭발을 일으킨 천체를 감마선폭발체(gamma ray burster)라고 한다.[2] 감마선폭발은 우주에서 일어나는 전자기 복사 현상 중 가장 밝다.[3] 폭발 지속 시간은 짧으면 10 밀리초에서 길면 수 시간까지 지속될 수 있다.[4][5][6] 최초의 폭발이 있고 나서 감마선보다 파장이 긴 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 전파의 "진광"이 감마선폭발 자체보다 더 긴 시간동안 지속된다.[7]

관측된 대부분의 GRB는 매우 빠르게 자전하는 질량이 큰 항성초신성 또는 극초신성으로 짜부라져 중성자별이나 쿼크별, 또는 블랙홀을 형성하면서 방출되는 강렬한 복사선이 집중된 좁은 빛줄기로 생각된다. GRB의 하위 종류 중 어떤 것들은 초신성 폭발이 아닌 중성자별 두 개가 서로 충돌, 융합하여 발생하는 것으로 보인다. 이러한 사건이 일어나면 GRB 전구체인 항성의 껍질과 핵 사이에 공명이 발생, 불과 수 초 동안 엄청난 조석력이 작용하여 별의 껍질 전체를 찢어발겨 흩어놓아 폭발의 원인이 되는 것 같다.[8]

대부분의 감마선폭발체들은 지구에서 수십억 광년 떨어져 있다. GRB는 그 에너지가 무지막지하게 크며(일반적인 GRB는 태양이 1백억 년 동안 낼 수 있는 에너지를 불과 수 초에 걸쳐 방출한다), 또 극도로 드물다(수백만 년 동안 몇 개 은하에 한두 번).[9] 지금까지 관측된 모든 GRB들은 우리은하 바깥에서 폭발했으나, 유사 현상인 연감마선 연속 방출원(SGR)은 우리은하 안의 마그네타와 관련된 현상인 것으로 생각된다. 우리은하 내부에서 발생한 GRB의 축이 지구를 똑바로 향하고 있으면 대량절멸을 일으킬 수 있다는 설이 있다.[10]

1967년 비밀 핵실험을 탐지하기 위해 쏘아올렸던 벨라 위성이 GRB를 처음 포착했다. 이후 수 년에 걸쳐 GRB의 정체를 밝히기 위한 수백 가지의 가설들이 제기되었는데, 그 정체로 거론된 천체는 가깝게는 혜성에서 중성자별에 이르기까지 다양했다.[11] 그러나 이러한 가설들을 검증하기에는 정보가 너무 적었다. 1997년에 이르러서야 GRB의 엑스선-가시광선 잔광을 포착하고 가시광 분광학으로 그 적색편이를 직접 측정함으로써 GRB의 거리와 에너지를 알아낼 수 있었다. 이 발견들과 뒤따른 은하 및 초신성 연구에 의해 GRB의 거리와 광도가 더욱 정확히 밝혀졌다. 그 결과 GRB가 먼 외부은하들에서 발생한 현상이며 그 원인은 질량이 큰 항성의 폭발과 관련이 있다는 이해가 정립되었다.

역사[편집]

감마선 폭발은 1960년대 말에 미국의 핵 실험 감시 위성인 벨라에 의해 발견되었다. 벨라는 핵 실험 중에 방출되는 방사선을 검출하려는 목적으로 만들어진 위성이었지만, 발생원이 없는 감마선 폭발을 때때로 감지했다. 1973년 미국의 로스앨러모스 국립 연구소의 연구원이 위성자료에서 이러한 폭발이 태양계 밖의 우주에서 오고 있다는 것을 밝혀냈다.

우주에서 날아오는 감마선은 지구 대기에 의해 차단되기 때문에 감마선 폭발은 대기권 밖에서만 직접 관측할 수 있다. 연구진은 보다 고성능의 감마선 검출기를 위성 궤도에 발사하면 감마선 폭발의 위치를 신속하게 찾을 수 있다고 생각했다. 이와 같이 생각했던 것은, 그 이전에 인공위성을 사용하여 우주공간의 X선 근원의 위치파악에 성공했었기 때문이었다. 그러나 1970년대가 되어 고성능 감마선 센서가 출범했지만, 폭발의 발생 위치를 파악하고 상세하게 조사하기에는 정밀도가 부족했다. 또한 인공위성으로 폭발의 발생 위치 부근을 관측하였지만, 가시광선 영역에서는 그럴듯한 천체가 전혀 관측되지 않았다.

폭발원에 대한 더 많은 정보를 얻는 것은 어렵다는 것이 밝혀졌고, 감마선 폭발에 대한 많은 의문이 제기되었으나 그에 대한 해답이 될만한 것은 발견되지 않았다. 감마선 폭발에 대한 첫 번째 의문은 폭발의 근원이 우리 은하에 있는가, 혹은 먼 우주에 있는가 하는 것이었다. 두 번째 질문은 폭발의 메커니즘은 무엇인가 하는 것이었다. 만약 폭발이 먼 우주에서 일어나고 있다면, 그 메커니즘은 막대한 에너지를 생산할 수 있는 것이어야한다.

1980년대에는 이 문제에 대한 진전이 거의 없었다. 그러나 1991년 4월, NASA콤프턴 감마선 관측대(Compton Gamma Ray Observatory, CGRO)를 쏘아올렸다. CGRO에 탑재된 관측장비 중 하나로 Burst And Transient Source Experiment(BATSE)가 있다. 이 장치는 감마선 폭발을 감지하여 천구상의 위치를 충분히 정밀하게 찾을 수 있다.

BATSE는 매일 2, 3개의 감마선 폭발을 감지하여, 그것이 천구상에서 완전히 무작위적으로 분포하는 것을 발견했다. 폭발이 우리 은하 안에서 일어나고 있다면, 은하면을 따라서 보다 많이 분포되어야 한다. 폭발원이 우리 은하의 은하 헤일로에서 일어난다고 해도, 은하 중심으로 보다 많이 분포하는 것처럼 보여야 한다. 이러한 사실은 감마선 폭발이 먼 우주에서 일어나고 있다는 것을 암시한다. 그러나 동시에 이렇게 막대한 에너지를 만들어낼 수 있는 메커니즘을 찾는 문제에 직면하게 되었다.

분류[편집]

감마선폭발의 광도곡선들

감마선폭발의 광도곡선은 매우 다양하고 복잡하다.[12] 동일한 광도곡선을 가지는 서로 다른 두 개의 감마선폭발체는 없으며,[13] 관측된 거의 모든 성질에서 큰 차이가 있다. 관측 가능한 방출의 지속시간은 수 밀리초에서 수 십분 정도 범위에 걸쳐 있으며, 그 사이에도 단일한 절정을 갖거나 또는 여러 번 맥동칠 수도 있다. 또 맥동칠 때 각각의 극대값은 밝아졌다 어두워지는 속도가 대칭적일 수도 있고 빠르게 밝아졌다가 천천히 어두워질 수도 있다. 어떤 GRB는 "전조(precursor)"가 되는 약한 폭발이 먼저 일어나고 수 초에서 수 분 동안 아무런 방출이 없다가 훨씬 격렬한 "진짜" 폭발이 일어나기도 한다.[14] 어떤 GRB의 광도곡선은 너무 혼란스럽고 복잡해서 인식할 수 있는 유의미한 패턴이 거의 없는 지경일 때도 있다.[15]

일부 광도곡선은 단순화된 모형을 사용해 대략적으로 재현해 볼 수 있으나,[16] 그래도 관측된 GRB들의 다양성을 모두 이해할 수 있을 만한 진척은 거의 이루어지지 않은 상태이다. 다양한 분류법이 제안되었으나 이러한 분류법은 대개 광도곡선의 외형으로만 분류한 것이거나 폭발 이전 전구체의 물성을 항상 제대로 반영한다고 보장할 수 없다. 하지만 관측된 GRB들의 지속시간[nb 1]의 분포를 플롯해 보면 상당히 많은 수의 GRB가 뚜렷한 쌍봉분포를 나타낸다. 이에 바탕해 GRB의 종류를 크게 두 개로 나눌 수 있다. 하나는 지속시간이 약 0.3초 정도인 "단기지속(short)" 종류이고, 다른 하나는 지속시간이 약 30초 정도인 "장기지속(long)" 종류이다.[17] 두 종류 모두 매우 넓게 분포하고 있고 상당히 넓은 영역에 걸쳐 서로 겹치기 때문에 어떤 GRB는 그것만 봐서는 단기지속인지 장기지속인지 알 수 없는 경우도 있다. 이 이원분류체계에 추가된 분류법들이 관측적·이론적 견지에서 제안되고 있다.[18][19][20][21]

단기지속 감마선폭발[편집]

허블우주망원경이 포착한 킬로노바의 적외선 잔광.[22]

지속시간이 약 2차 이하인 GRB를 단기지속 감마선폭발(short gamma-ray burst)로 분류한다. 전체 GRB 중 단기지속 유형은 약 30%를 차지하지만, 2005년 이전까지도 단기지속 GRB의 잔광을 제대로 포착해낸 적이 없으며 그 기원에 대해서도 밝혀진 것이 거의 없었다.[23] 2005년 이후로는 단기지속 GRB의 잔광이 여러 번 감지되었고, 그 중 일부는 대형 타원은하나 대형 은하단의 중심지역 처럼 항성형성이 거의 또는 아예 일어나지 않는 곳에서 발생한 것도 있었다.[24][25][26][27] 이것은 단기지속 GRB의 원인이 무거운 항성일 가능성을 배제시키며, 이로써 단기지속 GRB와 장기지속 GRB가 물리적으로 서로 다른 현상임이 확실해졌다. 또한 단기지속 GRB는 초신성과도 연관이 없다.[28]

장기지속 감마선폭발[편집]

초장기지속 감마선폭발[편집]

엄청난 에너지[편집]

감마선폭발의 전구체[편집]

방출 기작[편집]

감마선폭발체가 에너지를 복사로 바꾸는 수단에 대해서는 거의 이해가 제대로 이루어져 있지 않다. 2010년 현재에도 여전히 이 과정을 설명할 수 있는 널리 받아들여지는 모형은 존재하지 않는다.[29] GRB 방출에 대한 모형이 성공적이려면, 감마선 방출을 발생시키는 물리적 과정을 설명하면서 동시에 관측된 다양한 광도곡선, 스펙트럼 등 다른 특징들과도 일치해야 한다.[30] 특히 어려운 문제는 일부 폭발에서 나타나는 매우 높은 에너지 효율이다. 일부 GRB는 폭발 에너지 중 절반 이상을 감마선으로 전환시킨다.[31] GRB 990123에서 GRB 080319B에 이르기까지 감마선 스펙트럼을 외삽하여 가시광선 대역의 광도곡선을 얻어냈는데,[32][33] 이 관측결과들은 일부 GRB에서 역콤프턴 효과가 주요한 과정일 가능성을 시사한다. 이 모형에서는 기존에 존재하던 저에너지 광자가 폭발 시 상대론적 전자에 의해 산란되어 그 에너지가 대규모로 증대되어 감마선이 된다고 해석한다.[34]

감마선폭발 이후 따라오는 감마선보다 파장이 긴 잔광(엑스선 ~ 전파)의 성질은 감마선폭발 자체보다는 잘 이해되고 있다. 폭발로 방출되는 에너지 중 폭발 자체의 형태로 방출되는 것을 제외한 에너지는 아광속으로 별 바깥을 향해 움직이는 물질 또는 에너지의 형태를 갖게 된다. 이 물질이 주위의 성간매질과 충돌하면 상대론적 충격파가 발생해 성간공간에 전파된다. 2차 충격파인 역충격이 분출된 물질 속으로 진행할 수도 있다. 충격파 속에 포함된 무지막지하게 큰 에너지의 전자들이 강력한 국소 자기장에 의해 가속되면 거의 모든 전자기 스펙트럼 대역에 걸쳐 싱크로트론 복사가 일어나는 것이다.[35][36] 이 모형은 최근 관측된 GRB 이후 수 시간 ~ 수 일 만에 나타나는 잔광들의 양태를 일반적으로 성공적으로 설명하고 있다. 그러나 GRB 자체가 발생하고 그 직후 나타나는 잔광들의 특징을 설명하는 데는 다소의 어려움이 있다.[37]

발생 빈도와 지구에 대한 위협[편집]

2015년 10월 27일 그리니치 표준시 22시 40분, NASA/ASI/UKSA 스위프트 위성이 1000번째로 GRB를 발견했다.[38]

현재까지 관측된 모든 GRB는 우리은하 외부에서 발생했으며, 지구에 무해했다. 그러나 GRB가 우리은하 내부에서 일어나고, 그 방출 줄기가 지구를 똑바로 향한다면, 그 영향은 파멸적일 것이다. 현재 지구를 공전하는 인공위성들은 평균적으로 하루에 한 개의 GRB를 감지하고 있다. 2014년 3월 현재 가장 최근에 관측된 GRB는 1998년 관측된 GRB 980425로, 지구로부터 40 메가파섹(1억 3천만 광년)[39] 떨어진(z=0.0085) SBc형 왜소은하에서 발생했다.[40] GRB 980425는 평균적인 GRB보다 에너지가 훨씬 적었으며, Ib형 초신성 SN 1998bw가 그 폭발 원인이다.[41]

GRB 발생 빈도를 정확하게 추산하기는 어렵지만, 우리은하와 같은 대략 크기의 은하에서 예상되는 장기지속 GRB의 발생 빈도는 대략 100,000 ~ 1,000,000 년에 한 번 꼴이다.[42] 다시 이것들 중에서 자전축이 지구를 향하는 것은 더욱 매우 소수일 것이다. 단기지속 GRB의 발생률은 더욱 알기 힘들지만 아마 비슷한 수준일 것이다.[43]

GRB가 서로 반대 방향으로 방출되는 빛줄기와 관련된 현상으로 이해되는 고로, 그 제트의 경로상에 존재하는 행성만이 고에너지 감마선의 영향을 받게 될 것이다.[44]

지금까지 알려진 생명체 중 자외선에 대한 저항력이 가장 뛰어난 세균 데이노코쿠스 라디오두란스는 인간보다 자외선을 2,000배 더 잘 견디지만, GRB의 자외선 복사는 지구에서의 거리에 따라 이마저 파괴시킬 수 있다. 최초 폭발이 지구를 휩쓸고 지나가면 감마선폭발로 인한 자외선 폭격으로 대기 중의 오존층이 고갈될 것이기 때문에, 폭발에 직격한 면 뿐 아니라 직격을 피한 지구의 반대쪽 면도 생명유지에 치명적인 후유증을 겪게 될 공산이 크다.[45]

과거에 감마선폭발이 지구에 영향을 미쳤을 가능성[편집]

생명에 영향을 미칠 수 있을 만큼 가까운 GRB는 약 5백만 년에 한 번 꼴로 발생하며, 즉 지구가 탄생한 이래로 약 천여 번의 근지구 GRB가 있었다는 계산이 나온다.[46]

4억 5천만 년 전의 오르도비스기–실루리아기 대량절멸의 원인이 GRB라는 설이 있다. 오르도비스기 말기삼엽충 중 해수면 근처 플랑크톤 층 아래에 살던 종들이 깊은 곳에 사는 종들보다 더 큰 피해를 입었다. 대절멸의 상황에서 보다 잘 살아남은 것은 널리 퍼져 있는 종들이었으며, 이 특이 패턴은 GRB를 통해 설명될 수 있다. 지상에 살거나 해수면 가까이 살던 생물들은 특히 파멸적 영향을 받았으나, 심해의 생물들은 상대적으로 무해했다.[10]

774년–775년 탄소-14 급증의 원인이 단기지속 GRB라는 설이 제기되어 있으나,[47][48] 그보다는 매우 강한 태양플레어였을 가능성이 더 높다.[49]

미래에 감마선폭발이 지구에 영향을 미칠 가능성[편집]

Earth-Erde.jpg
자연 재해
v  d  e  h

가장 큰 위협은 천문학자들에게 GRB 후보로 지목되는 볼프–레이에별들이다. WR별이 초신성 폭발을 일으키면 강렬한 감마선 빛줄기를 방출할 것이고, 그 빛줄기의 진행선상에 지구가 존재한다면 파멸적 효과가 발생할 것이다. 감마선이 지구의 대기를 뚫고 표면에 직접 영향을 미치지는 못하겠지만, 성층권에 화학적 파괴가 일어날 것이다.[10]

예컨대 지구로부터 8천 광년 떨어져 있는 WR 104이 감마선폭발을 일으켜 10초 동안 지구가 감마선에 노출된다면, 전 세계의 오존층의 25%가 벗겨질 것이다. 이는 대량절멸, 먹이사슬 붕괴, 기아로 이어질 수 있다. 지구의 양면 중 GRB 쪽을 바로 바라보게 되는 면은 치명적인 전리방사선에 노출될 것이며, 이는 단기적으로는 방사능병을, 장기적으로는 오존층 감쇠로 인한 심각한 영향을 초래할 것이다.[10]

감마선폭발에 지구대기가 노출된 이후의 영향[편집]

장기적으로 볼 때, 감마선의 고에너지는 산소질소 분자들이 산화질소를 형성하게 만들고, 산화질소는 곧 이산화질소로 전환디어 광화학 스모그를 일으킬 것이다. GRB의 에너지가 충분하다면 스모그로 인한 이산화질소 가스가 너무 많아 하늘을 덮어 버리고, 햇빛이 지표면에 닿는 것이 차단되어 핵겨울과 유사한 "우주겨울" 사태가 발생할 것이다. GRB로 인해 생성된 가스는 감쇠된 오존층을 더욱 감쇠시킬 것이다.

함께보기[편집]

각주[편집]

내용주
  1. 감마선폭발의 지속시간은 대개 T90로 측정된다. T90이란 폭발 에너지의 90%가 방출되는 데 걸리는 시간이다.
참조주
  1. 한국천문학회 편 천문학용어집 204쪽 우단 21째줄
  2. 한국천문학회 편 천문학용어집 204쪽 우단 22째줄
  3. “Gamma Rays”. 《NASA》. 
  4. Atkinson, Nancy. “New Kind of Gamma Ray Burst is Ultra Long-Lasting”. Universetoday.com. 2015년 5월 15일에 확인함. 
  5. Gendre, B.; Stratta, G.; Atteia, J. L.; Basa, S.; Boër, M.; Coward, D. M.; Cutini, S.; d'Elia, V.; Howell, E. J; Klotz, A.; Piro, L. (2013). “The Ultra-Long Gamma-Ray Burst 111209A: The Collapse of a Blue Supergiant?”. 《The Astrophysical Journal》 766: 30. arXiv:1212.2392. Bibcode:2013ApJ...766...30G. doi:10.1088/0004-637X/766/1/30. 
  6. Graham, J. F.; Fruchter, A. S. (2013). “The Metal Aversion of LGRBs”. 《The Astrophysical Journal》 774 (2): 119. arXiv:1211.7068. Bibcode:2013ApJ...774..119G. doi:10.1088/0004-637X/774/2/119. 
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  22. “Hubble captures infrared glow of a kilonova blast”. 《Image Gallery》. ESA/Hubble. 2013년 8월 14일에 확인함. 
  23. In a Flash NASA Helps Solve 35-year-old Cosmic Mystery. NASA (2005-10-05) The 30% figure is given here, as well as afterglow discussion.
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  32. 인용 오류: <ref> 태그가 잘못되었습니다; Racusin라는 이름을 가진 주석에 제공한 텍스트가 없습니다
  33. Liang et al. 1999, GRB 990123: The Case for Saturated Comptonization, The Astrophysical Journal, 519:L21-L24, 1999 July 1. http://iopscience.iop.org/1538-4357/519/1/L21/fulltext/995164.text.html
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참고 자료[편집]

외부 링크[편집]

GRB 관련 임무
GRB 관련 프로그램