초신성은 우주에서 가장 에너지가 넘치는 사건 중 하나입니다. 이들 중 일부는 감마선 폭발을 포함하는데, 여기서 방출되는 에너지의 대부분은 극도로 높은 에너지 광자에서 나옵니다. 우리는 이것이 일반적으로 일어나는 이유를 알고 있다고 생각합니다. 폭발에서 남은 블랙홀은 거의 빛의 속도로 물질 제트를 방출합니다. 그러나이 제트가 광자를 생성하는 방법과 위치에 대한 세부 사항은 거의 완전히 해결되지 않았습니다.
불행히도 이러한 이벤트는 너무 빠르고 너무 멀리 발생하므로 자세한 메모를 얻는 것이 쉽지 않습니다. 그러나 BOAT(가장 밝은 기록)라고 불리는 최근의 감마선 폭발은 초신성 폭발 후 며칠 내에 발생한 사건에 대한 새로운 정보를 제공할 수 있습니다. 새로운 논문은 올바른 방향을 가리키고 사건에서 나오는 극도로 높은 에너지 방사선에 민감한 망원경의 데이터를 설명합니다.
샤워해야 겠어
앞서 언급한 “망원경”은 대형고공에어샤워전망대 (라아소). 해발 3마일(4,400미터)에 위치한 천문대는 전통적인 의미에서 망원경이 아닌 일련의 도구입니다. 대신, 우주 공간의 고에너지 입자가 대기와 충돌할 때 생성되는 복잡한 잔해와 광자 사슬인 에어샤워를 포착해야 합니다.
기존 망원경에 비해 제한적이지만 에어 샤워 탐지기는 BOAT와 같은 이벤트와 관련하여 몇 가지 이점이 있습니다. 그들은 지구 표면에 도달하는 광자와 입자를 기반으로 이벤트를 재구성해야 하는 만큼 이벤트에 집중할 필요가 없기 때문에 매우 넓은 시야를 가지고 있습니다. 그들은 고에너지 이벤트에만 민감합니다. 즉, 일광은 에너지가 너무 낮아 간섭할 수 없으므로 24시간 작동할 수 있습니다.
LHAASO는 BOAT 초신성이 분출했을 때 데이터를 수집하고 있었기 때문에 탐지기는 사건의 시작을 포착했을 뿐만 아니라 이후 며칠 동안 그 진화를 추적할 수 있었습니다. 공간 해상도는 좋지 않았지만 파장별로 구분된 방대한 양의 데이터가 있었습니다. 처음 100분 동안 200 GeV를 초과하는 에너지에서 64,000개 이상의 광자가 감지되었습니다. 문맥상 양성자의 전체 질량을 에너지로 변환하면 1GeV 미만이 됩니다.
가장 먼저 명백해진 것 중 하나는 더 낮은(그러나 여전히 매우 높은!) 에너지에 있는 광자와 전자기 스펙트럼의 더 극단적인 끝에 있는 광자 사이에 큰 차이가 있다는 것입니다. TeV보다 높은 광자의 데이터는 시간이 지남에 따라 부드럽게 변하는 반면 메가전자볼트 범위의 데이터는 위아래로 변동했습니다.
데이터 이해
연구원들은 이 데이터가 초신성의 난류 파편과 상호 작용하는 제트에 의해 저에너지 이벤트가 발생한다는 제안과 일치한다고 제안합니다. 이 파편은 복잡하고 제트 소스에 가깝기 때문에 속도를 높여야 하는 제트기의 공간 입자의 양을 제한하여 에너지를 제한합니다.
대조적으로, 더 높은 에너지의 광자는 제트가 초신성의 잔해를 긁어내고 별 주변을 구성하는 물질과 상호 작용하기 시작한 지역에서 생성됩니다. 더 희박하고 균일한 환경이므로 제트가 TeV보다 높은 에너지의 광자를 생성하는 데 필요한 극한 에너지로 입자를 가속하는 덜 난류 경로를 허용합니다.
초신성 잔해를 통과하는 것이 어려워 보이지만 제트가 입자를 거의 빛의 속도로 가속하기 때문에 프로세스가 매우 빠르게 발생합니다. 따라서 데이터에서 TeV 광자의 급격한 증가를 확인하는 데 약 5초밖에 걸리지 않습니다.
거기에서 약 13초 동안 지속되는 더 완만한 내리막입니다. 작업 뒤에 있는 연구팀은 이것이 제트가 별의 잔해 너머 환경에서 입자와 상호 작용하고 가속하는 것과 관련이 있다고 제안합니다. 이것은 고에너지 광자의 수를 증가시키지만 동시에 제트가 환경을 통해 전진할 때 더 큰 물질 더미에 밀려올 때 제트에서 에너지의 일부를 소모합니다.
결국 이러한 물질의 축적은 고에너지 광자의 수가 점차 감소하기 시작하는 충분한 에너지를 끌어들입니다. 이 방울은 충분히 느려서 약 11분 정도 지속됩니다.
BOAT 초신성의 경우 고에너지 광자의 급격한 감소가 뒤따랐다. 이것은 제트기가 소스에서 멀어짐에 따라 점점 넓어지기 때문에 발생하는 것으로 생각됩니다. 즉, 제트기의 중앙 코어가 지면을 직접 가리키기 때문에 보트가 우리가 관찰한 것처럼 밝았습니다. 이 하강 타이밍은 또한 현재 항공기가 얼마나 넓은지에 대한 정보를 제공합니다.
이러한 사건에 대해 아직 배워야 할 것이 많습니다. 예를 들어 블랙홀이 처음에 어떻게 물질 제트를 방출하는지 아직 확실하지 않습니다. 그러나 이러한 종류의 상세한 관찰은 제트 형성의 타이밍과 역학에 대한 더 나은 아이디어를 제공할 수 있으며 궁극적으로 블랙홀 형성 및 제트 형성 중에 발생하는 모델을 제공하는 데 도움이 될 것입니다.
과학, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328 (DOI에 대해).
