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천체에서 오는 중력파와 감마선, X-선, 가시광선 등 전자기파 신호의 동시 관측 최초 성공 2017-10-16

※  본 보도자료는 한국중력파연구협력단과 서울대학교 초기우주천체연구단 그리고 한국천문연구원의 공동 보도자료이며 한국천문연구원이 배포합니다.

 

■  국내 연구진 38명을 포함한 국제공동연구팀※은 중력파와 전자기파 관측을 동시 수행하는 데 성공함으로써 중성자별의 충돌로부터 일어나는 일련의 물리적 과정을 규명했다. 블랙홀 충돌로부터 나오는 중력파 발견(2017년 노벨물리학상 수상)에 이어 중성자별의 충돌에 의한 중력파를 라이고(LIGO)와 비르고(Virgo)로 처음으로 검출함은 물론 감마선, X-선, 가시광선에서도 이 중력파 천체를 포착하는 데 최초로 성공한 것이다. 이를 통해 중성자별 충돌의 증거로 예측되어 온 킬로노바(Kilonova)※※ 현상과 이의 진행 과정도 동시에 규명할 수 있었다. 
      ※ 국제공동연구팀은 라이고, 비르고, 그리고 70여 개의 지상 및 우주 관측시설들을 사용했다.

      ※※ 킬로노바 : 신성(노바, Nova)의 1000배 정도 에너지를 내는 현상이라는 뜻의 킬로노바는 신성과 초신성 사이에 해당하는 에너지를 내는 현상이다. 이제까지 이론적으로만 알려졌던 킬로노바가 관측적으로

설득력 있게 증명된 것은 이번이 처음이다. 주 에너지원은 중성자를 빠른 속도로 포획해 만들어지는 무거운 원소가 붕괴하는 과정에서 나온다. 신성보다 100만 배 밝은 천체를 초신성 또는 메가노바(Meganova)라 부른다.   


○ 지난 8월 17일 오후 9시 41분(한국시간 기준) 국내 연구진(한국중력파연구협력단)이 포함된 라이고와 비르고 과학 협력단은 최초로 중성자별 충돌에 의한 중력파 발생 현상을 관측했고 이 현상을 GW170817로 명명했다. 중력파 종료 시각 약 2초 후에는 2초간의 짧은 감마선 폭발 현상이 포착됐고, 약 11시간 후에는 은하 NGC 4993(거리 약 1억 3천만 광년)에서 GW170817에 대응하는 천체가 가시광선으로 발견되면서 GW170817의 위치가 정확히 결정됐다.

 

○ 임명신 서울대 교수(초기우주천체연구단 단장)가 이끄는 광학 연구진은 한국천문연구원의 KMTNet 망원경과 서울대학교의 이상각 망원경 등을 사용하여 중력파 발생시각 약 21시간 후부터 GW170817에 대한 가시광선 추적관측을 시작했다. 
특히 한국천문연구원이 운영하는 KMTNet이 24시간 연속해서 관측한 자료는 GW170817이 킬로노바 현상을 일으켰다는 것을 밝히는 데 중요한 역할을 했다. 이와는 별도로 성균관대학교 연구팀도 멕시코에 있는 BOOTES-5 광학망원경과 남극에 있는 IceCube 뉴트리노 천문대로 이 현상을 관측했다.

 

○ 그 후 얻어진 NASA의 찬드라 X-선 우주망원경의 X-선, 국내 가시광선, 라이고 비르고 관측 연구결과로부터 중성자별 충돌-킬로노바-특이 감마선 폭발 간의 연결고리를 완성할 수 있었다. 즉, 중력파를 통해 GW170817이 중성자별 수준 질량의 천체들  충돌임을 확인했고, 중성자별 충돌 결과로 예측됐던 킬로노바 현상과 특이한 감마선 폭발 현상을 전자기파 신호 관측으로 확인함으로써 중성자별 충돌 현상에 대한 관측증거를 확보한 것이다.

 

○ 광학 관측을 주도한 임명신 교수는 “중력파와 광학관측의 협동연구를 통해 중력파 신호가 정확히 어디에 있는 어떤 천체에 기인하는지를 최초로 밝혀낸 역사적인 사건”이라고 밝혔으며, KMTNet 관측을 주도한 한국천문연구원의 이충욱 박사는 “약 3주간 수행된 KMTNet 관측이 중력파 후보 천체의 정체 규명에 기여하게 되어 매우 기쁘다”고 말했다. 한국중력파연구협력단의 이창환 교수(부산대)는 또한 “블랙홀 충돌과는 다른 우리 모두가 기다리고 있던 새로운 파원으로부터의 중력파 검출이며 중성자별의 핵입자물리학적 상태를 규명하는 계기가 될 것이다”라고 말했다.

 

○ 이번 연구결과는 천체를 중력파와 전자기파 신호를 동시 관측하여 연구하는 ‘다중신호 천문학’이 탄생했음을 뜻한다. 한국중력파연구협력단을 이끄는 이형목 교수(서울대)는“천문학 난제였던 중성자별 충돌 현상을 이번에 단숨에 규명한 것처럼, 다중신호 천문학 연구를 통해서 우주론, 중력, 밀집천체 등의 천체물리학 제반 연구 분야에서 획기적인 발견들이 이루어질 것이다”고 전망했다. 

 

○ 국내 광학관측/중력파 연구진이 국제공동 연구진과 수행한 연구결과는 10월16일자로 2편(주요저자 논문 1편)이 네이처에, 5편(주저자 논문 1편)이 천문학 및 물리학 분야 최상위급 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)와 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)에 게재 또는 게재예정이다. 

특히 킬로노바 특성을 밝힌 네이처(Nature) 논문과 GW170817이 발생한 곳인 NGC 4993 은하의 특성을 분석한 천체물리학 저널 레터스 논문에서는 국내연구진이 핵심적인 역할을 했다. 한편 라이고 과학협력단에서는 GW170817이라고 명명된 중력파 관측 결과를 요약한 논문을 피지컬 리뷰 레터스에, 중력파로 측정한 거리와 이미 알려져 있던 NGC 4993의 적색편이 값을 이용해 새롭게 허블상수를 구한 논문을 네이처에 게재했으며 이들 논문에는 한국중력파연구협력단 소속 연구원 14명이 포함됐다.

 

○ 이번 연구는 중력파, 감마선, X-선, 가시광선, 적외선, 뉴트리노 입자 등 다양한 방법으로 우주를 연구하는 세계 45개국 900여 기관 소속 50여 개 연구 그룹, 총 3500여 명 과학자들의 협동 연구로 이뤄졌다. 국내에서는 한국중력파협력연구단 14명(책임자: 이형목 교수, 서울대), 한국천문연구원(KASI) KMTNet 운영팀 8명(책임자: 이충욱 박사), 서울대학교 초기우주천체연구단 6명(단장: 임명신 교수), 성균관대학교 우주과학연구소 3명(소장: 박일흥 교수) 등 총 38명의 국내과학자들이 이 연구에 참여했다. 
또한 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 한국연구재단(이사장 조무제)이 추진하는 기초연구기반구축사업, 리더연구사업(창의적연구) 그리고 이공분야 기초연구사업이 이 연구를 지원했다.

 

 

[관련 사진]  

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KMTNet 남아공 관측소가 포착한 GW170817의 모습 

 

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 이번 중성자별 충돌 현상을 시간별로 요약한 그림. 국내연구진은 중력파 신호 검출과 가시광선 신호 추적연구를 수행했다.

 

 

[관련 영상]

GW170817 영상 바로보기 https://youtu.be/esQHnhzZoGw

 

 

※ 아래 참고자료는 첨부파일을 확인하십시오.
1. 이번 관측연구에 대하여 국내연구진이 발표한 논문 목록
2. 용어 설명
  1) 라이고(LIGO)와 비르고(Virgo)
  2) KMTNet(Korea Microlensing Telescope Network, 외계행성탐색시스템)
  3) 이상각 망원경(Lee Sang Gak Telescope, LSGT)
  4) 한국중력파연구협력단
3. 이번 연구에 참여한 국내연구진 명단

 

 

[문의]
서울대학교 초기우주천체연구단  임명신 단장 ☎ 02-880-6585
한국천문연구원 이충욱 박사 ☎ 042-865-3255
한국중력파연구협력단 강궁원 박사 ☎ 042-869-0723   

 

 

 

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