올해은 NASA의 찬드라 엑스선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory)이 우주공간으로 발사된지 20주년 되는 해입니다. 찬드라 망원경은 20년동안 수많은 관측을 수행하였습니다.

그 중 대표적인 것이 황소자리의 게성운(M1, Crab Nebula)의 관측입니다. 게성운은 찬드라 망원경이 X-선으로 관측한 최초의 대상 중 하나였으며 이후로도 수많은 관측이 이루어졌습니다.

게성운은 거대한 초신성 폭발의 잔해로 매우 특별한 의미를 가집니다. 특히 별이 폭발한 시기에 대한 역사적 증거가 있는 소수의 대상 중 하나입니다. 이 폭발 시기를 아는 것은 천문학자들이 초신성폭발과 그 여파의 세부 사항을 이해하는데 큰 도움을 주고 있습니다.

중국을 비롯한 몇몇 국가의 역사서에는 1054년 황소자리 부근에서 "새로운 별(신성, 新星)"이 탄생하였음을 기록했습니다. 이 새로 태어난 별은 1년간 낮에도 보일 정도로 환하게 빛났다고 합니다. 사실 이는 아이러니하게도 별의 죽음을 목격한 것입니다. 거대한 별이 핵연료가 떨어지고 붕괴되며 나타난 현상(초신성폭발)의 목격입니다.

오늘날 천문학자들은 게성운이 빠르게 회전하는 강한 자기장을 가진 중성자별(펄서, Pulsar)을 동력으로 사용하고 있음을 알고 있습니다. 중성자별의 빠른 회전과 강한 자기장은 거대한 회전원반과 위아래로 뿜어지는 물질과 반물질의 제트(Jet)를 형성하였습니다.

사실 일반 광학식(가시광선) 천체망원경을 사용하여 게성운을 관측하면 이러한 원반과 제트를 관측할 수 없습니다. 이곳의 에너지는 너무 강력하여 가시광선보다 더 파장이 짧은 X-선의 형태로 나타납니다.

게성운의 최신 이미지는 찬드라 우주망원경(파란색과 흰색, X-선), 허블우주망원경(Hubble Space Telescope, 보라색, 가시광선), 스피처 우주망원경(Spizer Space Telescope, 핑크색, 적외선)의 이미지를 합성한 것입니다. 

이 이미지에서 X-선(파란색과 흰색)의 범위는 다른것보다 작습니다. X-선을 방출하는 매우 강력한 전자들은 가시광선 및 적외선을 방출하는 저에너지 전자보다 더 빠르게 에너지를 방출해버리기 때문입니다.

이 결과물은 찬드라우주망원경과 게성운 사이의 20년에 걸친 과학적 유산에 추가될 것입니다. 다음은 찬드라 우주망원경이 게성운을 관측하여 수많은 통찰을 얻은 천문학자들의 자료입니다.

1999년

1999년 여름 콜롬비아 우주 왕복선에서 찬드라 우주망원경은 자신의 궤도에 안전하게 안착합니다. 몇주 후 찬드라는 게성운을 관측했습니다. 찬드라가 관측한 데이터에는 성운의 심장 주위에 고 에너지 입자가 밝은 링(가장 안쪽의 원형태)의 형태를 이루고 있는 이전에 볼 수 없었던 게성운의 특징을 보여주었습니다.

2002년

게성운의 역동적인 모습은 몇달동안 진행된 찬드라와 허블우주망원경의 관측을 통해 생생하게 드러났습니다. 이전에 밝혀진 밝은 링은 밝기가 변하고 파동, 폭발 등 다채로운 현상을 나타내지만 대체적으로 같은 위치에 남아있는 20여개의 매듭으로 구성됩니다. 이 매듭은 중성자별의 빠르게 움직이는 입자가 주변 가스에 부딪혀 발생한 충격파에 의해 발생합니다. 이 링에서 발생한 충격파는 빛의 속도의 절반정도로 뿜어져 두번째 확장 링을 형성합니다.

2006년

스피처 우주망원경이 궤도에 안착하여 NASA의 "Great Observatory"에 합류하였습니다. 몇 년 후 찬드라(연한 파란색), 허블(녹색과 짙은 청색), 스피처(빨간색)의 데이터를 포함한 게성운의 첫번째 합성데이터가 공개되었습니다.

2008년

찬드라 우주망원경이 게성운을 계속 관측하면서 여기서 발생한 사건들을 명확하게 보여줍니다. 2008년 과학자들은 게성운의 펄서풍 성운(중성자별을 둘러싸고 있는 누에고치 형태의 고 에너지 입자)의 희미한 경계를 처음으로 관측하였습니다. 이러한 특징은 더 차가운 물질의 성운과 필라멘트의 자기장이 전자와 양전자의 움직임을 제어하고 있음을 나타냅니다. 입자는 자기장을 따라 빠르게 이동하며 에너지를 방출하기 전에 몇 광년을 여행하기도 합니다. 또한 대조적으로 더 천천히 자기장에서 수직으로 움직이며 빠르게 에너지를 잃기도 합니다.

2011년

게성운의 찬드라 우주망원경 저속 영상은 중성자별 근처 X-선 방출의 극적인 변화를 보여줍니다.  2011년 NASA의 페르미 감마선 관측소와 이탈리아의 AGILE 위성에서 관측된 감마선 방출의 위치를 알아내기 위해 찬드라 우주망원경을 활용하였습니다. 하지만 아쉽게도 찬드라의 이미지는 감마선 방출에 대한 명확한 증거를 얻을 순 없었습니다. 그럼에도 찬드라의 관측은 과학자들이 감마선 폭발에 대한 설명을 시작하는데 큰 도움을 주었습니다. 찬드라는 명확하진 않지만 가속 입자가 감마선폭발을 일어켰다는 증거를 제시하였습니다.

2014년

찬드라 우주망원경이 발사된지 15주년을 기념하여 게성운을 비롯한 몇가지 새로운 초신성 잔해 이미지가 공개되었습니다. 이 3색 게성운 이미지는 3개의 서로 다른 에너지의 X-선 밴드로 나뉘어져 있습니다. 이 이미지에서 찬드라가 감지하는 가장 낮은 에너지는 빨간색이고 중간은 녹색, 고에너지는 파란색으로 표시됩니다. 이 이미지에서 고에너지의 X-선 범위는 다른 것보다 작습니다. 이는 가장 높은 에너지의 전자가 더 빨리 에너지를 방출하기 때문입니다.

2017년

과거의 게성운 이미지를 기반으로 전자기 스펙트럼의 거의 모든 범위에 걸쳐있는 망원경 데이터를 사용하여 게성운의 상세한 이미지가 만들어졌습니다. 전파(적색), 적외선(노란색), 가시광선(녹색), X-선(보라색 및 파란색)의 합성 이미지입니다.

출처 : NASA

스페이스타임즈 가두연 기자 omnip@sllab.co.kr 가두연 기자의 기사 더보기

저작권자 ⓒ 스페이스타임즈, 무단 전재 및 재배포 금지