과학자들이 '역사상 가장 밝은 폭발'의 미스터리를 풀다

너무나 거대한 사건으로 지구 상층 대기에 약 기가와트의 전력이 쏟아졌습니다.

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감마선 폭발(GRB)로 알려진 우주 폭발은 1960년대 후반 미국 군사 위성에 의해 우연히 처음 감지되었으며, 우주에서 가장 밝은 폭발로 이해되었습니다. 일반적으로 이는 먼 은하계에서 블랙홀이 격변적으로 탄생한 결과입니다.

이것이 일어날 수 있는 한 가지 방법은 하나의 거대한 별이 붕괴되는 것입니다. 나와 같은 현장에서 일하는 천문학자들은 GRB와 관련된 엄청난 에너지 규모를 잘 알고 있습니다. 우리는 태양이 일생 동안 방출하는 만큼의 감마선 에너지를 방출할 수 있다는 것을 알고 있습니다.

그러나 가끔씩 우리를 잠시 멈추게 만드는 사건이 관찰됩니다. 2022년 10월, 궤도 위성 페르미(Fermi)와 닐 게렐스 스위프트 천문대(Neil Gehrels Swift Observatory)의 감마선 탐지기는 GRB 221009A(탐지 날짜)로 알려진 폭발을 기록했습니다. 이것은 곧 기록을 세우는 것으로 밝혀졌습니다. 이 사건을 연구하고 관찰하는 천문학자들 사이에서 편리한 약칭으로 역사상 가장 밝은 것(Brightest Of All Time) 또는 "보트(Boat)"라고 불렸습니다. 보트는 밝게 시작했을 뿐만 아니라 다른 폭발처럼 사라지는 것을 거부했습니다. 우리는 여전히 폭발이 왜 그렇게 유난히 밝았는지 완전히 알지 못하지만 Science Advances에 발표된 우리의 새로운 연구는 폭발의 끈질긴 지속성에 대한 답을 제공합니다.

폭발은 GRB에 비해 비교적 가까운 24억 광년 거리에서 발생했습니다. 그러나 상대적인 거리를 고려하더라도 사건의 에너지와 그 여파로 인해 발생하는 방사선은 차트에서 벗어났습니다. 우주적으로 멀리 떨어진 사건이 지구 대기권 상층부에 약 기가와트의 전력을 축적하는 것은 확실히 정상이 아닙니다.

보트와 같은 GRB는 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 이동하는 가스 흐름을 우주로 발사합니다. 제트기가 정확히 어떻게 발사되는지는 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. 그러나 아마도 블랙홀이 형성되는 곳 근처의 자기장과 관련이 있을 가능성이 높습니다.

우리가 폭발로 보는 것은 이 제트의 초기 방출입니다. 나중에 제트기는 속도가 느려지고 전파에서 (예외적인 경우) 감마선에 이르기까지 빛의 희미해지는 잔광인 추가 방사선을 생성합니다.

우리는 제트기를 직접 관찰하지 않습니다. 대신, 먼 별처럼 우리는 GRB를 하늘의 점으로 봅니다. 그럼에도 불구하고 우리는 GRB가 모든 방향으로 동일하게 폭발하지 않는다고 믿을 만한 충분한 이유가 있습니다. GRB 221009A의 경우 이는 확실히 비합리적입니다. 지구에서 감지된 에너지의 양을 다른 모든 방향으로 곱해야 하기 때문입니다. 이는 어떤 별이 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지에 해당합니다.

GRB가 우리를 대략적으로 가리키는 제트에서 나온다는 또 다른 징후는 특수 상대성 이론 때문입니다. 상대성 이론은 광원이 우리에게 얼마나 빨리 움직여도 빛의 속도는 일정하다는 것을 가르쳐줍니다. 하지만 여전히 빛의 방향이 왜곡될 수 있습니다. 이 펀하우스 거울 효과 덕분에 빠르게 움직이는 제트기의 표면에서 모든 방향으로 방출되는 빛은 결국 제트기의 운동 방향을 따라 강하게 집중됩니다.

즉, 우리 방향으로 향하는 제트기의 가장자리는 약간 구부러져 있습니다. 이는 제트기의 빛이 우리 방향에서 멀어지는 방향으로 집중된다는 의미입니다. 나중에 제트기의 속도가 느려지면 가장자리가 정상적으로 시야에 들어오고 잔광이 더 빨리 사라지기 시작합니다.

그러나 여기서도 GRB 221009A가 규칙을 어겼습니다. 그 가장자리는 전혀 보이지 않았으며 일반적으로 희미해지기를 거부하는 매우 밝은 버스트 그룹에 합류했습니다. 천천히 옅어지기 시작했다가 빠르게 사라지는 것이 아니라, 시간이 지나면서 꾸준히 옅어지는 것입니다.

우리 작업에서 우리는 보트의 관찰과 일치하는 방식으로 제트 가장자리의 모양을 어떻게 가릴 수 있는지 보여줍니다. 핵심 아이디어는 다음과 같습니다. 예, 좁은 제트가 발사되었지만 붕괴하는 별을 탈출하는 데 어려움을 겪었고 제트 측면을 따라 항성 가스와 많은 혼합이 발생했습니다.