FRB 121102: No supernova-like ejecta or magnetar power, hinting at a binary WD merger

빠른 전파 폭발(Fast radio bursts)은 우주에서 가장 신비로운 신호 중 하나이다. 이것은 단 1,000분의 1초 동안 지속되는 짧고 강렬한 전파의 섬광이지만, 그 짧은 순간에 태양이 하루 종일 방출하는 만큼의 에너지를 내뿜는다. 수년 동안 천문학자들은 무엇이 이 섬광을 만드는지, 그리고 그것들이 어디에서 오는지 알아내기 위해 노력해 왔다. 대부분의 이러한 폭발은 단 한 번만 일어나지만, 적은 수의 폭발은 하늘의 같은 지점에서 반복해서 다시 나타난다. FRB 121102라고 알려진 이 반복적인 소스 중 하나는 다른 어떤 것보다 더 면밀하게 관찰되어 왔다. 이것은 멀리 떨어진 작은 은하 안에 자리 잡고 있으며, 지속적으로 빛나는 전파 방출 구름에 둘러싸여 있다. 수십 년 동안 확장되어 온 이 꾸준한 빛은 폭발을 만들어낸 격렬한 사건을 이해하는 열쇠를 쥐고 있다.

연구팀은 이제 이 신호의 역사를 사용하여 그 기원의 이야기를 다시 쓰고 있다. 연구진은 이 폭발로부터 오는 전파가 주변 구름을 통과할 때 어떻게 변하는지를 추적함으로써, 밖으로 밀려 나가는 물질의 속도와 질량을 측정할 수 있었다. 그들의 분석에 따르면, 이 구름은 일반적인 초신성 폭발(거대한 별이 죽으면서 보통 수천 킬로미터 매 초의 속도로 물질을 밖으로 내뿜는 현상)의 결과라고 하기에는 너무 느리게 움직이고 있다. 대신, 데이터는 이 구름이 훨씬 전, 즉 폭발을 일으키는 엔진이 작동하기 훨씬 전에 두 개의 밀도가 높은 죽은 별의 병합으로부터 부드럽게 방출되었을 가능성을 시사한다. 이 발견은 이 물체에 대한 가장 대중적인 이론을 배제하며, 훨씬 더 조용하고 오래된 우주적 사건을 가리킨다.

이야기는 신호 자체의 본질로부터 시작된다. 빠른 전파 폭발이 우주를 여행할 때, 그것은 플라스마라고 불리는 대전된 입자 구름을 통ผ่าน한다. 이 입자들은 전파를 약간 느리게 만드는데, 전파가 얼마나 많은 입자를 가로질러야 하는지에 따라 느려지는 정도가 달라진다. 천문학자들은 이를 분산 측정치(dispersion measure)라고 부른다. 수년에 걸쳐 FRB 121102를 관찰하면서, 연구진은 이 측정치가 일정하지 않다는 것을 발견했다. 측정치는 한동안 꾸준히 상승하다가 다시 떨어지기 시작했다. 이 상승과 하락은 무작위적인 노이즈가 아니다. 이는 중심 엔진이 주변 가스를 밀어내며 만들어낸 충격파의 직접적인 기록이다. 충격파가 바깥쪽으로 이동함에 따라 차가운 가스를 압축하고 이온화하여, 전파가 가로질러야 하는 입자의 수를 증가시킨다. 일단 충격파가 가스 구름의 가장자리를 뚫고 나가면, 구름은 팽창하고 희박해지기 시작하며, 이로 인해 입자의 수가 줄어들고 신호가 맑아진다.

연구진은 이러한 변화를 이용해 구름의 물리적 특성을 계산했다. 그들은 가스가 초속 수백 킬로미터의 속도로 움직이고 있다는 것을 발견했다. 이것은 매우 중요한 세부 사항이다. 만약 구름이 표준적인 초신성에 의해 생성되었다면, 가스는 초속 약 5,000 킬로미터의 속도로 빠르게 밖으로 튀어나갔을 것이다. 가스가 이렇게 느리게 움직인다는 사실은 그것이 거대한 항성 폭발에 의해 튕겨 나간 것이 아님을 의미한다. 더욱이, 구름에 포함된 총 에너지는 초신성이 만들어낼 에너지보다 훨씬 적다. 과학자들은 또한 이 구름이 상당히 질량이 크며, 태양 질량의 3분의 1에서 3배 사이를 포함하고 있지만, 태양에서 가장 가까운 별까지의 거리의 약 3배에서 10배에 달하는 광활한 거리에 퍼져 있다는 것을 밝혀냈다.

이러한 물리적 제약 조건들은 이 물체의 역사를 재고하게 만든다. 가스의 느린 속도는 가스가 중심 엔진이 작동하기 훨씬 전에 방출되었음을 의미한다. 연구진은 가스가 전파 폭발이 시작되기 전 1,000년 이상 전에 방출되었을 가능성이 높다고 계산했다. 이는 구체적인 타임라인을 만들어낸다: 먼저 가스의 느린 방출이 있고, 그다음 긴 침묵의 시기가 이어지며, 마지막으로 폭발을 일으키는 엔진이 점화되는 것이다. 이 순서는 거대한 별이 붕괴하면서 가스를 방출함과 동시에 엔진을 만드는 모델과는 일치하지 않는다. 또한, 이는 중심 천체가 강력한 자기장에 의해 구동되는 고자기장 중성자별(magnetar)이라는 아이디어도 배제한다. 전파의 빛을 유지하는 데 필요한 에너지는 자기장이 소멸하지 않고 그토록 오랜 기간 동안 제공하기에는 너무 크기 때문이다.

대신, 데이터는 백색 왜성(white dwarfs)과 관련된 다른 기원 이야기를 가리킨다. 백색 왜성은 태양과 같은 별이 죽은 뒤 남겨진 밀도가 높은 지구 크기의 핵이다. 만약 두 개의 백색 왜성이 서로 궤도를 돌다가 결국 충돌하면, 하나의 불안정한 물체로 병합될 수 있다. 이 시나리오에서 병합은 가스 껍질을 느린 속도로 부드럽게 방출하여 오늘날 우리가 보는 구름을 만든다. 병합된 물체는 이후 천 년 동안 조용히 식으며 진화하다가, 빠르게 회전하는 중성자별로 붕vol(collapse)할 수 있다. 이 새로운 중성자별은 전파 폭발과 지속적인 빛을 만들어내는 데 필요한 강력한 에너지를 생성할 만큼 빠르게 회전할 것이다. 이 타임라인은 관측 결과와 완벽하게 일치한다: 느린 가스가 먼저 방출되었고, 엔진은 훨씬 나중에 시작되었다.

연구진은 거대한 별이 제대로 폭발하지 못했거나, 동반성(companion star)이 거대한 별 안으로 나선형으로 빨려 들어가는 쌍성계와 같은 다른 가능성들도 고려했다. 이러한 시나리오들은 이론적으로 느리게 움직이는 가스를 만들어낼 수 있지만, 특정한 타이밍과 가스 내 수소의 결핍을 설명하는 데 어려움이 있다. 그러나 백색 왜성 병합 모델은 자연스럽게 무거운 원소는 풍부하지만 수소는 부족한 가스 껍질을 만들어내며, 이는 데이터에서 발견된 화학적 단서들과 일치한다. 이 연구는 모든 빠른 전파 폭발의 미스터리를 해결했다고 주장하는 것은 아니다. 많은 폭발이 서로 다른 기원을 가질 수 있기 때문이다. 하지만 이 특정 물체에 대해서만큼은, 증거가 그것이 최근의 격렬한 폭발보다는 느리고 오래된 병합의 여파임을 강력하게 시사한다.

이 작업은 단순한 신호 지연 측정이 어떻게 우주 물체의 깊은 역사를 드러낼 수 있는지를 보여준다. 전파를 탐사 도구로 활용함으로써, 과학자들은 폭발을 둘러싼 물질의 속도, 질량, 그리고 연령을 지도화할 수 있었다. 그들은 우주가 초신성과 같은 화려한 폭력뿐만 아니라, 수 세기에 걸쳐 펼쳐지는 조용하고 느린 과정을 통해서도 극단적인 에너지원을 만들어낼 수 있음을 보여주었다. 이 발견은 우리가 보는 반복적인 폭발이 아마도 두 죽은 별의 병합으로부터 태어난 젊고 빠르게 회전하는 중성자별에 의해 구동될 가능성이 높음을 시사하며, 이는 이러한 에너지 넘치는 물체가 형성되는 방식에 대한 전통적인 견해에 도전한다. 천문학자들이 이 소스와 다른 소스들을 계속 모니터링함에 따라, 그들은 오직 이러한 유형의 우주적 사건만이 만들어낼 수 있는 특정한 화학적 지문과 타이밍 패턴을 찾아내어 이 아이디어들을 더욱 검증할 수 있을 것이다.