- 초신성의 강력한 빛에 의해 우주 먼지가 쪼개지는 원리 발견

- 네이처 아스트로노미 표지 논문으로 선정

■ 우주 전체에 존재하는 우주 먼지는 죽어가는 별에서 생겨 새로운 별의 탄생을 유발하고 지구와 같은 행성을 형성하는 기본 재료가 된다. 이런 우주 먼지를 연구하면 별의 탄생 및 소멸 과정에 대한 중요한 단서를 얻을 수 있다. 한국천문연구원은 초신성이 폭발할 때나 무겁고 젊은 별에서 나오는 강한 빛에 의해 우주 먼지가 쪼개질 수 있다는 새로운 원리를 발견했다. 해당 연구는 네이처 아스트로노미(Nature Astronomy) 5월 6일자 표지 논문으로 선정됐다. 

□  우주 먼지는 별과 행성이 형성되는 초기 단계에서 중요한 역할을 하고, 별의 마지막 단계에서는 항성풍을 유발한다. 또한, 이산화탄소와 물 심지어 유기 분자도 우주 먼지 표면에서 형성되는 것으로 알려졌다. 그동안 천문학자들이 풀지 못한 비밀 중 하나는 초신성, 킬로노바, 무겁고 밝은 별, 블랙홀 강착원반 근처 등 강력한 광원 주변에 수십 나노미터 크기의 작은 먼지 알갱이가 이보다 훨씬 큰(수백 나노미터 크기) 알갱이에 비해 훨씬 더 많다는 사실이다. 이러한 특이 현상은 기존 이론*으로는 설명할 수 없는 내용이다.

※ 우주 먼지를 파괴하는 기존 이론들

① 양성자 때림(sputtering): 우주 먼지가 뜨거운 우주 플라즈마 속에 들어 있을 때, 플라즈마의 양성자들이 먼지를 계속 때림으로써 먼지가 표면부터 분자와 원자로 파괴됨.

② 파쇄(shattering): 충격파 안에서 먼지와 먼지가 직접 충돌하여 부서짐.

③ 승화(sublimation): 빛이나 전자가 먼지에 충돌하여 먼지가 뜨거워져서 먼지가 부서짐.

□  연구에 따르면, Ia형 초신성의 초기 단계 관측을 통해 강한 광원 근처에 놓인 우주 먼지는 그 빛의 압력을 받아 마치 바람개비가 회전하듯이 초당 10억 바퀴에 이를 정도까지 엄청나게 빠르게 회전하게 되고, 그 회전에 의한 원심력이 먼지의 최대 인장강도보다 더 세지면 먼지가 부서지게 된다. 

□  연구진은 이러한 현상을 ‘복사 회전에 의한 먼지 파괴’(Radiative Torque Disruption)라 명명했다. 이 메커니즘을 초신성이나 킬로노바, 무겁고 젊은 별 주변에 존재하는 먼지에 적용하면 다양한 천문 현상을 설득력 있게 설명할 수 있다. 

□  중력파 검출로 널리 알려진 킬로노바나 우주의 가속 팽창을 입증하는데 활용된 초신성에서 나오는 강력한 빛에 의해 그 주변의 먼지가 부서져서 작은 먼지가 된다. 연구진은 먼지가 부서지는 영역이 킬로노바나 초신성 주변 반경 수 광년 정도의 범위에서 생기는 것을 밝혔다. 반면, 밝고 무거운 별이 천여 개 모여 있는 별 탄생 영역에서는 먼지가 부서지는 영역이 반경 수십 광년 범위로 형성되는 것을 밝혔다. 

□  본 연구를 이끈 한국천문연구원 티엠 황(Thiem Hoang) 박사는 “1952년에 노벨 물리학상을 수상한 에드워드 퍼셀(Edward Purcell)이 1979년 발표한 논문에서 ‘우주 먼지는 원심력에 의해 쪼개질 수 없다’고 결론지었지만, 우리 연구는 먼지가 강한 광원 근처에 위치한다면 작게 쪼개질 수 있다는 것을 보여준다”며 “새로운 메커니즘을 통해 오랫동안 풀리지 않았던 우주의 많은 퍼즐들을 풀 수 있을 것이다”고 기대감을 내비쳤다. 함께 연구에 참여한 안상현 박사와 이혜승 박사는 “작은 먼지는 짧은 파장의 빛을 더 잘 흡수하고 산란해 그 양과 내부 분포가 초신성이나 최초 은하의 밝기에 영향을 준다. 우리의 연구는 초신성을 이용해 우주의 크기와 나이를 측정할 때나 우주 최초의 은하 및 다양한 천체 연구에도 적용해볼 수 있다.”라고 밝혔다. (한국어 보도자료 끝. 아래 영문버전 및 참고자료 있음) 

[English version] 

Discovery of a fast mechanism to destroy dust grains in strong radiation fields 

Executive Summary

Massive stars, supernovae, and kilonovae are among the most luminous radiation sources in the universe. Observations usually show near- to mid-infrared (NIR--MIR, wavelength between 1-5 micron) emission excess from H II regions around massive stars. Early phase observations in optical to NIR wavelengths of type Ia supernovae also reveal unusual properties of dust extinction and dust polarization. The popular explanation for such NIR-MIR excess and unusual dust properties is the predominance of small grains (size tens of nanometers) relative to large grains (size of hundreds of nanometers) in the local environment of these strong radiation sources. The question of why small grains might be predominant in these environments is unclear. In a paper published in Nature Astronomy, we reported a new mechanism of dust destruction based on centrifugal stress within extremely fast-rotating grains spun-up by radiative torques, which we term the RAdiative Torque Disruption (RATD) mechanism. We find that RATD can disrupt large grains in the local environment into a number of smaller grains. This disruption effect increases the abundance of small grains relative to large grains and successfully reproduces the observed NIR-MIR excess and anomalous dust extinction/polarization. 

Why do we care about cosmic dust?

Dust is ubiquitous in the Universe, and it is usually said that “From dust we came, and to dust we shall return.” Dust is the building blocks of stars and planets. Dust can drive the mass loss in stellar winds at the end of star’s life. Dust is also the home where water ice and complex organic molecules, including biogenic molecules, are formed. Dust grains absorb starlight in optical and ultraviolet wavelengths and re-emit radiation at long, infrared wavelengths. The infrared emission from dust is a powerful tool for astronomers to study the Universe.

Therefore, lots of research has been done to understand evolution and physical properties (e.g., size and shape) of dust. Previous studies establish that the mass of interstellar dust is dominated by large grains having a radius of hundreds of nanometers. Yet, many early-phase observations toward type Ia supernovae reveal the predominance of nanometer-sized grains (with radius of tens of nanometers) over large grains. We also see similar properties in ionized-regions around massive stars and in star-forming regions of nearby and high-redshift galaxies. This anomaly cannot be explained by current understanding of dust formation and destruction including thermal sublimation by intense radiation, sputtering in the hot gas, and grain shattering in shocks.

What is our discovery?

In a new paper published in Nature Astronomy, we discovered that, subject an intense radiation field such as from a supernova, massive star, or a kilonova, dust grains in the local environment can be spun-up to extremely fast rotation, above one billion rounds per second. As a result, the centrifugal force within the rapidly rotating grain can exceed the maximum tensile strength of grain material, which disrupts a dust grain into a number of nanometer-sized grains. We term this mechanism Radiative Torque Disruption (RATD). Comparing to other destruction mechanisms, we find that RATD is the fastest mechanism to destroy dust grains in intense radiation fields such as near massive stars, supernovae, and kilonovae. 

Why is this discovery important?

The discovery changes the current understanding of cosmic dust evolution. 

In the current paradigm, an intense radiation field heats dust grains to high temperatures and evaporate them into the gas phase, the so-called thermal sublimation mechanism. Our discovery shows that the strong radiation field can also spin-up grains to extremely fast rotation, such that the resulting centrifugal stress can disrupt them into tiny fragments. The new mechanism requires much lower radiation intensity and is thus more efficient than thermal sublimation.

The discovery resolves several longstanding puzzles revealed by observations. 

The production of nanometer-sized grains by disruption of large grains via the RATD mechanism on a short time-scale of less than a few weeks can successfully explain the unusual dust properties observed toward many type Ia supernovae. The reproduction of nanoparticles can also clarify the mysterious origin of near-to-mid-infrared emission excess observed in ionized regions around massive stars. The discovered mechanism can explain a steep far-UV rise in the in extinction curves towards starburst and high-redshift galaxies, and the decrease of the escape fraction of Lyman α photons from H II regions surrounding young massive star clusters. 

The discovery has broad implications in astrophysics.

This work opens a new avenue to study the internal structure, composition, and grain size distribution of dust grains via observations. 

Dr.Thiem Hoang's comments:

Forty years ago, in 1979, Edward Purcell, winner of Nobel Prize in Physics, concluded that interstellar grains of compact structures cannot be disrupted by centrifugal force as a result of grain suprathermal rotation. Our study yet shows that even compact grains can be disrupted by centrifugal force when they are located near an intense radiation field, which is quite common in the Universe. I am very excited about our new mechanism because it can resolve several longstanding puzzles from observations and is expected to have a broad impact in modern astrophysics.

그림 1. 강한 빛에 의해 주변 먼지가 강하게 회전하고 이 과정에서 먼지는 더 작은 입자로 쪼개진다. 

네이처 아스트로노미(Nature Astronomy) 5월 6일자 표지 그림

그림 2. 강한 광원에서 나오는 빛에 의해 주변 먼지들의 회전 속도가 증가하고, 초당 10억 바퀴에 이르는 빠른 회전 속도까지 늘어나게 된다. 

빠르게 회전하는 먼지는 원심력을 받아 양쪽으로 잡아당겨지며, 그 원심력이 먼지의 최고 인장강도보다 커지면 먼지가 부서져서 작은 조각이 된다.

그림 3. 별 탄생과 초신성 폭발 때, 먼지들이 중심 광원으로부터 떨어진 거리에 따라 어느 정도의 크기로 분포하는지 알 수 있다. 

왼쪽 별 탄생 영역의 경우, 수십 나노미터 크기의 먼지들은 약 30광년 거리 이내, 오른쪽 초신성의 경우 반경 약 3광년 정도 거리 이내에 분포하고 있다.

[참고]  용어 설명

1. 킬로노바 : 신성(노바, Nova)의 1000배 정도 에너지를 내는 현상이라는 뜻의 킬로노바는 신성과 초신성 사이에 해당하는 에너지를 내는 현상이다. 중성자별 쌍성이 병합되는 과정에서 중력파가 방출된 다음, 그 파편으로 나온 중성자들이 원자핵에 빠른 속도로 흡수될 때 만들어지는 무거운 방사성 원소가 붕괴하는 과정에서 빛 에너지가 나온다. 신성보다 100만 배 밝은 천체를 초신성 또는 메가노바(Meganova)라 부른다.    

2. Ia형 초신성 : 쌍성 중 한 항성이 팽창해 두 항성 간 중력적인 상호작용으로 질량이 더 큰 항성이 더 작은 항성으로부터 물질을 흡수하다가 찬드라세카(태양 질량의 1.44배) 질량을 넘어서게 되면 초신성 폭발을 하게 된다. 모든 Ia형 초신성은 같은 질량에서 초신성 폭발이 이루어져 밝기가 같기 때문에 우주에서 거리 측정을 하는 도구로도 쓰인다.

[참고] 연구진 및 논문

○ 논문

  - 게재지 : Nature Astronomy 표지 논문, 5월 6일자

  - 제목 : Rotational disruption of dust grains by radiative torques in strong radiation fields

○ 연구팀

 - 티엠 황(Thiem Hoang)(한국천문연구원 이론천문연구센터 선임연구원)

 - 래 응옥 쩜(Le Ngoc Tram)(NASA Aims 박사후연구원)

 - 이혜승(한국천문연구원 이론천문연구센터 박사후연구원)

 - 안상현(한국천문연구원 이론천문연구센터 선임연구원)

[문의]

☎ 042-869-5863,  이론천문센터 이혜승 박사

☎ 042-865-3203,  이론천문센터 안상현 박사

☎ 042-865-3343,  이론천문센터 Thiem Hoang 박사