일반지구과학 및 실습 2

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9강: 별의 죽음 II

일반지구과학 및 실습 2

충북대학교 천문우주학과 김용기교수

별의 죽음 1. 작은 질

량의 별

2. 무거운 별 4. 쌍성계

진화

NS 발견

NS 발견 WD 폭발:부드러운 종류

WD 폭발:부드러운 종류

SN1987A SN1987A 질량손실

질량손실

무거운 원소의 핵 무거운 원소의 핵 백색왜성

백색왜성

3. 펄서,중성 자별 짝별이 있는 NS 짝별이 있는 NS

수축하는 중심핵 수축하는

중심핵

축퇴별 축퇴별

WD폭발: 격렬한 종류 WD폭발: 격렬한 종류

WD의 운명 WD의

운명 PN

PN

질량손실의 증거 질량손실의

증거

이론의 검증 이론의

검증 등대 모형 등대 모형

모형 증명 모형 증명

펄서 진화 펄서 진화

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이론의 검증

이 시나리오가 맞다면

빛이 나오기 전부터 많은 양의 중성미자가 퍼져 나왔을 것

폭발은 중성자가 풍부해지는 과정에 의해 만들어진 무거운 원소가 많이 검출 될 것이다

(불안정하여 붕괴하는 방사능 원소들도 검출될 수 있다)

밝기 변화:

하루만에 1000배 밝아짐

폭발후 40일까지 방출된 에너지는 폭발로부터 나왔다

폭발에너지가 공간으로 방출되면서 어두워질것으로 기대

실제 어두워 졌음! (무거운 원소 발생)

방사능 니켈, Ni-56

6일의 반감기를 가지고 Co-56으로 붕괴 77일의 반감기를 가지고 철-56으로 붕괴

초신성 폭발로 만들어 지는 원소

강한 감마선 방출

감마선은 덮어있는 가스에 의해 흡수되고

다시 가시광선으로 방출되어 별 잔해를 밝게 유지한다

SN 1987의 관측에서 확인됨

새로운 원소들이 초신성의 도가니에서 형성된다

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SN 1987A로부터의 중성미자

폭발 에너지의 1%이하가 별을 파괴시키는 사용되었고 나머지는 중성미자에 의해 빠져 나갔다!

물리학자들이

실제 이 초신성의 중성미자를 검출하여 별이 폭발할때 어떤 일이 일어나는가에 대한 이론적인 계산이 맞다는 것을 검증하였다

2개의 중성미자 망원경:

수백개의 민감한 감광기에 둘러싸인 수천톤의 순수한 물

입사하는 중성미자는 물과 작용하여 양전자와 전자를 발생 이 들은 물속을 빨리 운동함면서 아주 푸른 빛을 발생

미국 Lake Erie밑에 설치된 중성미자 검출기:

8천톤 물통주변에 2048개의 빛에 민감한 진공관

컴퓨터 몸의실험으로 재연된 1987년 2월 23일 검출된 중성미자 중심의 노란 십자모양과 사선은 중성미자 통과에 의해 자극된 진공관의 위치

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일본관측: 13초동안 11개의 중성미자 검출 미국관측: 같은 시간에 6개검출

중성미자 망원경은 북반구에 있었고 초신성은 남반구에서 일어났으므로 검출된 중성미자는 이미 지구를 통과해 우주로 다시 빠져 나가는 길이었다!

중성미자 가 보통의 물질과 작용할 확률은

아주 낮기 때문에 몇 개만의 중성미자만 검출되었다

실제 초신성은 10⁵⁶개의 중성미자를 방출했을 것으로 추정

지구에는 단위 cm²당 500억개가 지나갔다

100만명의 사람이 몸에서 중성미자의 상호작용을 경험하였다

한 사람당 한 개의 핵자에게만 상호작용이 일어났기에 못느낀다

3. 펄서, 그리고 중성자 별의 발견

초신성 폭발이 이루어지고 남은 것은 중성자별뿐이다

•우주에서 밀도가 가장 높다

•표면중력은 지구에서의 10¹¹배

•내부의 95%는 중성자로 구성

•지름은 운석정도 크기

수백 또는 수천광년 떨어져 있으면 관측될 가능성이 없다

우리은하에서 수백개의 중성자별을 발견

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전형적인 백색왜성과 중성자별의 성질

1931년 벨연구소의 칼 잰스키는 천둥번개가 전화 교신에 미치는 영향을 연구하는 도중 우연히 매일 일정한 소리가 전파를 통해서 항성일을 주기 로 일어남을 발견하고 이를 전기공학회지에 실었음.

우주를 보는 제2의 창: 전파

1940년 그로테 뤼버가 칼 잰스키의 논문에 흥미를 느끼고 개인적으로 연구하여 추가로 몇 개의 전파원을 발견하고 이를 astrophysical Journal에 발표함.

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1942년 영국의 제임스 헤이는 태 양의 플레어를 최초로 관측

1951년 미국의 헤럴드 유엔과 에 드워드 퍼셀에 의해서 21cm 수소 파장 확인

1965년 로버트 윌슨은 빅뱅우주론 에서 예측되던 우주에서 등방성으 로 오는 전파인 우주배경복사 발견 1950년대 강력한 무선신호를 내는

전파원이 퀘이사 임을 발견 (팔로마 200인치 망원경으로 동정)

1967년 앤터니 휴이시와 조셀린 벨 버넬은 매우 정확인 주기를 가진 첸체를 발견하고

이를 펄서라 이름 붙임

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밀리세컨드 펄서의 전파소리

중성자별의 발견

1967년; Bell 과 Hewish

작은 여우자리에서 발견한 규칙적인 전파광원 관측 (1.33728초의 펄스)

수 백개의 이런 광원이 발견되었고 펄서라 명명됨

주기; 1/1000초 – 10초

정체가 무엇일까?

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펄서 발견과정을 통해 과학의 성격 이해하기

수신기 고장 ?

수 없는 점검 결과,

수신기 이상 무

매일 태양보다 4분 일찍 관측 됨

(지구의 운동), 외부전파 가능성

인간이 만든 전파?

태양계 밖에 있는 천체 외계인 인

작은 초록 인간?

LGM 1, LGM 2,3,..

(LGM1거리:

212광년)

퀘이사 연구를 위해 수년 동안 전파망원경 시스템을 구축하여 점검하던 중 작은 여우자리에서 규칙적인 전파광원 발견 (1.33728초의 펄스)

중성자 별?

우주등대 모형 (매우 빠르게 회전하는 별)

관측 결과 Rule/

law

원인 관측과 추리가 동시에 필요(자료만으로는 한계)

지도교수와 다른 의견과 합의점을 거치면서 자신의 이론을 발전시킴 상상력과 추리력을 이용하여 새로운 이론 혹은 법칙을 형성과 적용

(창의성)

설 명

설 명 주관성 과학지식의

잠정성 Nature 1968년 2월호에 펄서 발견에 대한 논문 발표, `1974년 휴이시교수 노벨상 수상

게성운의 초신성 잔해

여러 파장에서 빛나고 전체 에너지 방출은 태양의 100,000배

1054년에 초신성 폭발

전파, 가시광선 및 X-선관측으로도 펄스를 확인할 수 있다

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회전 등대 모형

펄서는 회전하는 중성자별

등대모형; 빛다발이 배를 향할 때마다 빛의 펄스를 본다

원래 별에 있던 자기장은 중심 핵이 중성자 별로 수축할 때 크게 압축

중성자별 표면에서 양성자와 전자는 회전하는 자기장에 묶여 거의 빛의 속도로 가속

자기 극에서 나온 입자다발이 엄청난 속도로 밀려나가면서 강한 전자기 복사

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모델의 증명

자기장이 빨리 회전하는 중성자 별로 부터 나오는 빛 다발에 의해 펄서가 된다는 모형의 검증

1. 몇몇 펄사는 케플러 법칙을 이용하여 질량계산이 가능할 정도로 충분한 정보를 지닌 쌍성계에 속해 있다

중성자 별 질량: 1.4-1.8 M_⊙

2. 중성자 별에서 높은 에너지를 띤 하전 된 입자가 자기극을 따라 나올 때 초신성으로 부터 나와 천천히 움직이는 물질을 때리게 된다

이 물질들이 다른 파장에서 빛나게 한다

3. 중성자 별이 에너지를 밖으로 내고 있기 때문에 자전속도가 느려짐

실제 관측이 되었음

펄서의 진화

새 펄서가 은하의 어느 곳에서 초신성의 빈도와 같이 25-100년마다 하나씩 생겨난다고 추정

우리 은하에는 약 1억 개의 중성자 별이 존재할 것으로 추정

우리은하에서 펄서의 극히 일부분만 볼수 밖에 없는 이유:

선택효과- 등대효과 때문에 우리 쪽으로 향하는 펄서가 많지 않다

지금까지 발견된 400개의 펄서 중 3개만이 초신성 잔해인 가스구름 속에 묻혀있다

펄서의 수명은 팽창하는 초신성 잔해의 가스가 성간으로 흩어져 버리는데 걸리는 시간보다 100배정도 길다

대부분의 펄서는 그들을 만들어낸

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별의 온도 별

의 밝 기

뜨거운 별 차가운 별

어 두 운 별 밝 은 별

짧고 밝게 살자!

어둡고 오래

무거운 별 살자!

질량이 작운 별

펄서 발견 과정을 통해 이해하는

과학의 성격

과학지식은 잠정적이다

과학지식은 사회문화적 요소의 영향을 받는다 과학지식은 주관적이다 (관찰의 이론의존성)

경험적 요소 관찰과 추론 이론과 법칙

창의성

보편적 방법이 없다

재순환

자신의 창의적인 이론으로 자료들을 분석 열정적인 관측 수행

추론 없는 맹목적 관찰은 없다 규칙성인 Rule을 이론으로 설명

상상력과 추리력

회전하는 중성자별이론도 점점 진화되고 있다

Bell은

당시 과학이론들을 점검하면서 자신의 과학활동을 수행하였다 현재의 우주등대모형도

실제 펄서 에서 일어나는 물리적 현상을

정확하게 재현 한 것은 아니고,

현재까지 가장 좋은 설명이다

수정과 보완이 필요

언제나 더 좋은 이론으로 대체 가능

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펄서의 진화

새 펄서가 은하의 어느곳에서 초신성의 빈도와 같이 25-100년마다 하나씩 생겨난다고 추정

우리 은하에는 약 1억개의 중성자별이 존재할 것으로 추정

우리은하에서 펄서의 극히 일부분만 볼수 밖에 없는이유:

선택효과- 등대효과때문에 우리쪽으로 향하는 펄서가 많지 않다

지금까지 발견된 400개의 펄서 중 3개만이 초신성 잔해인 가스구름속에 묻혀있다

펄서의 수명은 팽창하는 초신성 잔해의 가스가 성간으로 흩어져 버리는데 걸리는 시간보다 100배정도 길다

대부분의 펄서는 그들을 만들어낸 폭발의 다른 흔적없이 발견된다

4. 쌍성계의 진화

모든 별의 절반정도가 서로 중력으로 영향을 미치는 쌍성계에서 발달하였다

가까운 동반성의 존재는 진화에 깊은 영향을 미친다 하나가 거성이나 초거성으로 부풀때,

또는 항성풍을 가지고 있을때 질량이 전달된다

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백색왜성 폭발: 부드러운 종류

한별은 백생왜성이 되었고

다른 별은 백색왜성에게 질량을 전달해주는 쌍성계 쌍성의 바깥층으로 부터 나온 신선한 수소가 백색왜성의 표면에 쌓이면서 수소층을 형성

축퇴 별의 표면에 더 많은 수소가 쌓이고 뜨거우면서 새로운 층의 온도는

갑자기 폭발적인 방법으로 핵융합

백색왜성은 다시 밝아진다 신성

수백개의 신성이 관측 쌍성계에서 일어나고 있고 반복되어 일어난다

백색왜성 폭발: 격렬한 종류

백생왜성이 빠른 속도로 질량을 쌓게 되면 한계질량을 능가하게 된다

1.4 M_⊙인 별은 백색왜성으로 자신을 지탱할 수 없다 수축하면서 뜨거워지고, 새로운 핵반응이 축퇴상태의 중심핵에서 시작된다

1초이내에 엄청난 양의 융합이 일어난다

에너지 방출이 너무 커서 •가스가 초속 수천km로 방출

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질량이 큰 별의 폭발때와 같이

짧은 시간에 엄청난 에너지를 발생시켜

별을 완전히 파괴하기 때문에 초신성이라 부른다 티코 초신성이 바로 이렇게 폭발했을 것으로 추정

쌍성계에서 1.4 M_⊙이하인 백색왜성도 격렬하게 폭발한다는 것을 암시!

중심핵은 안정: He -> C; 헬륨은 아주 빨리 소진됨 Type I 초신성

u 두 별 중 더 큰 질량의 별이 먼저 적색거성이 된 다음에 백색왜성이 된다.

u 백색왜성은 동반성으로부터 물질을 끌어들이기 시작하고 동반성은 적색거성으로 진화한다.

u 너무 많은 질량을 획득한 백색왜성은 결국 찬드 라세카 한계를 넘어서서 제 Ia형의 초신성이 된다.

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쌍성계내의 중성자별

쌍성계는 그 중 한 별이 폭발하더라도 살아나을 수 있다

보통 별은 중성자별과 쌍성계를 이룰 수 있다

살아있는 별에서 죽은 별로 물질이 전달된다면 물질은 중성자별의 중력에 의해 끌어당겨진다

낙하하는 물질은 압축되고 온도가 높아진다

X-선이나 감마선의 복사가 방출

1.4 M_⊙이하 1.4 – 3 M_⊙

최종질량

3 M_⊙이상

백색왜성으로 끝맺음 중성자별로 끝맺음

블랙홀로 끝맺음

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천문연 천문우주동영상

http://astro.kasi.re.kr/Main/ContentViewForm.aspx?MenuID=1178

별의 죽음 정리