우주 폭발을 거리 측정으로 사용하기 위한 탐색 방법

 거리를 결정하는 것은 천문학에서 가장 큰 도전 중 하나이다. 근처의 물체에 대해 천문학자들은 시차에 의존하고 있는데, 이로 인해 근처 별들이 더 멀리 떨어져 있는 별들의 정지해 있는 것처럼 보이는 배경과 반대로 이동하게 된다. 1세기 이상 동안 천문학자들은 신뢰할 수 있는 시차로는 너무 멀다고 여겨지는 거리를 계산하기 위해 소위 표준 양초 즉 절대 광도를 가진 천체에 의존해 왔다.천문학자들은 우리 은하를 비롯한 다른 많은 은하계들의 거리를 측정하기 위해 처음에는 가변 별의 일종인 세페이드 변수를 표준 양초로 사용했다. 더 최근에 우주론자들은 표준 양초로 Ia 초신성을 사용해 왔다. 이아 초신성은 백색 왜성(죽은 별의 핵)이 동반성으로부터 물질을 끌어내어 너무 무거워질 때 발생하는 폭발이다. 백색 왜성이 얼마나 거대해질 수 있는가에 물리적인 한계가 있기 때문에, 이러한 폭발은 항성이 일정한 질량에 도달했을 때 항상 일어나며 따라서 항상 같은 밝기다. 그 결과 발생하는 폭발은 매우 발광성과 신뢰성이 높아서 천문학자들에게 우주가 6~7%의 정확도로 계속 팽창하는 것에 대한 정확한 측정을 제공했다. 그것은 꽤 정확하지만, 어떤 경우에는 하나의 이론을 다른 이론과 구분할 만큼 정확하지는 않다. 그렇다면 천문학자들은 어떻게 이 불확실성을 반으로 나눌 수 있을까? 

 GRB는 우주에서 알려진 가장 강력한 고에너지 사건들 중 하나이다. 수 초에서 수 시간 사이에 지속되는 짧은 수명의 최고 에너지 단계 동안, 그들은 태양이 평생 동안 방출하는 것과 같은 양의 에너지를 방출한다. GRB의 1차 배출물은 감마선과 고에너지 X선과 같은 고에너지 광자다. 이는 X선 및 광학에서 적외선 및 때로는 라디오에 이르기까지 전자기 스펙트럼에 걸쳐 장기간 지속되는 GRB 잔광 방출이 뒤따른다.우주비멜리네테세우스 이 그림은 우주 시간 표시 막대에서 감마선 폭발이 발생한 장소를 보여준다.로웰 천문대 천문학자 마이클 웨스트는 GRB는 매우 활동적이기 때문에 먼 거리에서 발견하기 쉽다고 말한다. 하지만 천문학자들은 무엇이 그들을 야기시키는지에 대해서는 아직 확실하지 않다. 그들은 대부분의 GRB가 블랙홀을 만들기 위해 거대한 별이 폭발할 때 발생하며 강렬한 빔에 엄청난 에너지를 방출한다고 믿고 있다고 그는 말한다.West는 그들의 엄청난 밝기에도 불구하고 "GRB를 표준 양초로 사용하는 것에 대한 큰 도전은 두 개가 정확히 같지 않다는 것이다"라고 말한다. "GRB 광선 곡선은 비범한 다양성을 보여준다. 폭발은 길이가 다양하고 일부는 다른 것들보다 훨씬 더 오래 지속된다. 어떤 것들은 높은 배출량의 정점을 보여주는 반면 다른 것들은 단지 한 가지만을 보여준다고 그는 말한다.이 모든 것은 여러 종류의 초신성이 있는 것과 거의 같은 방식으로 아마도 한 개 이상의 GRB 조제자가 있다는 것을 암시한다고 말한다. 그러한 가능한 조상들은 거대한 별들의 붕괴뿐만 아니라, 두 개의 중성자 별, 한 개의 중성자 별과 블랙홀의 합병 또는 자석으로부터 방출되는 플레어(고자성 중성자 별의 일종)도 포함한다.그러나 GRB를 표준 양초로 사용할 수 있도록 이러한 변형을 신뢰할 수 있는 방법으로 수정하는 것은 쉽지 않다. 우리의 우주 분리 물체 측정 능력을 확장하기 위해 GRB를 사용하려고 할 때의 한 가지 문제는 현재의 우주 관측소들이 가장 큰 우주 거리에서만 가장 발광하는 폭발을 발견할 수 있다는 것이다.또한 GRB의 거리를 결정하는 문제도 있다. 현재 천문학자들은 먼저 우주 망원경으로 GRB의 감마선이나 X선 방출량을 포착해야 한다. 그리고 나서 그들은 천문학자들에게 거리를 주는 징후를 찾기 위해 다른 망원경 (보통 지상에 있는)이 광학 또는 적외선 스펙트럼, 또는 확산된 빛을 측정할 수 있기를 바라야 한다고 영국 레스터 대학의 천문학자인 폴 오브라이언은 말한다. 그러나 이것을 측정하기 위해서는 물체로부터 충분한 빛을 얻기 위해서는 큰 망원경이 필요하다. 

 그리고 많은 GRB들은 너무 짧아서 천문학자들이 큰 망원경을 하늘의 오른쪽 점으로 돌릴 시간을 허락하지 못한다. 더 오래 지속되는 GRB만 후속 조치가 가능하다.이 도전 때문에 천문학자들은 NASA의 닐 게렐스 스위프트 천문대에 의해 발견된 GRB의 약 30%에 대해서만 거리를 계산했다고 오브라이언은 말한다. 더 많은 거리를 얻기 위해서는 GRB를 포착하고 같은 우주선에 그들의 주파수를 탑재함으로써 추적할 필요가 있다고 말한다. 이것은 GRB를 보는 것과 GRB 거리를 측정하는 데 필요한 정보를 얻는 것 사이의 지연을 없앨 것이다.유럽우주국은 '과도한 고에너지 하늘'과 '초기 우주 조사관(Early Universe Survey, THEUS)'이라는 이름의 고에너지 우주 전망대에 대한 초기 연구에 자금을 지원했다. 만약 전액 지원된다면, THEESUS는 2032년에 발사될 것이다. THEUS는 지상 관측치에 의존할 필요 없이 정확한 위치와 거리를 결정함으로써 많은 먼 GRB를 찾아야 한다. 이 우주선은 감마선과 X선 검출기를 운반해 GRB를 포착할 뿐만 아니라, 적외선 망원경을 통해 동일한 위치를 즉시 관측하고 스펙트럼을 얻으며 거리를 결정할 수 있다.스탠퍼드대 천문학자 겸 폴란드 자젤로니아 대학의 조교수인 마리아 지오반나 다이노티는 "스위프트와 함께 10년 동안 관찰한 GRB의 수와 동일한 수를 1년 안에 관측할 수 있는 능력을 갖게 될 것"이라고 말한다.그리고 감마선뿐만 아니라 X선에서도 관찰함으로써 천문학자들은 훨씬 더 멀리 떨어져 있는 물체를 발견할 것이라고 오브라이언은 말한다. 우주가 팽창함에 따라 빛이 더 낮은 파장으로 뻗어나가기 때문이다. 따라서 가장 큰 거리에서 폭발로 인한 감마선은 낮은 에너지로 확장되어 X선으로 나타난다.메릴랜드에 있는 NASA 고다드 우주비행센터의 천문학자인 브래드 센코는 천문학자들의 궁극적인 목표는 Ia형 초신성처럼 GRBS를 "표준화할 수 있는" 방법을 찾는 것이라고 말한다. 이것은 은하의 위치와 움직임을 측정하기 위해 표준 양초로 사용할 수 있게 해주며, 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 팽창하고 있는지를 드러낼 것이라고 그는 말한다.게다가, 은하가 우리로부터 멀리 떨어져 있을수록, 우리가 그것을 관찰할 때 우리가 보고 있는 우주의 역사 속으로 더 빨리 들어갈 것이다. 멀리 떨어져 있는 GRB를 표준 양초로 사용함으로써 천문학자들은 빅뱅 이후 약 5억년에서 10억년 후 - 최초의 은하가 막 형성되기 시작했을 때를 되돌아볼 수 있다고 믿는다.표준 양초를 더 먼 거리로 확장하고 시간을 더 거슬러 보는 것은 천문학자들이 암흑 에너지를 둘러싼 미스터리를 푸는 데 도움이 될 것이다. 즉 우주의 팽창을 가속화하는 힘이다.암흑 에너지의 기여는 시간에 따라 다르기 때문에, 더 먼 거리에서 GRB를 발견하는 것은 연구자들이 암흑 에너지가 우주 시간에 걸쳐 어떻게 진화했는지를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다. 그러나 그러한 연구의 핵심은 GRB가 표준 양초로 작동하도록 만드는 데 달려 있다.