**감마선 폭발**

관측된 대부분의 GRB는 매우 빠르게 자전하는 질량이 큰 항성이 초신성 또는 극초신성으로 짜부라져 중성자별이나 쿼크별, 또는 블랙홀을 형성하면서 방출되는 강렬한 복사선이 집중된 좁은 빛줄기로 생각된다. GRB의 하위 종류 중 어떤 것들은 초신성 폭발이 아닌 중성자별 두 개가 서로 충돌, 융합하여 발생하는 것으로 보인다. 이러한 사건이 일어나면 GRB 전구체인 항성의 껍질과 핵 사이에 공명이 발생, 불과 수 초 동안 엄청난 조석력이 작용하여 별의 껍질 전체를 찢어발겨 흩어놓아 폭발의 원인이 되는 것 같다.

대부분의 감마선 폭발체들은 지구에서 수십억 광년 떨어져 있다. GRB는 그 에너지가 무지막지하게 크며(일반적인 GRB는 태양이 1백억 년 동안 낼 수 있는 에너지를 불과 수 초에 걸쳐 방출한다), 또 극도로 드물다(수백만 년 동안 몇 개 은하에 한두 번).

1967년 비밀 핵실험을 탐지하기 위해 쏘아올렸던 벨라 위성이 GRB를 처음 포착했다. 이후 수 년에 걸쳐 GRB의 정체를 밝히기 위한 수백 가지의 가설들이 제기되었는데, 그 정체로 거론된 천체는 가깝게는 혜성에서 멀게는 중성자별에 이르기까지 다양했다. 그러나 이러한 가설들을 검증하기에는 정보가 너무 적었다. 1997년에 이르러서야 GRB의 엑스선-가시광선 잔유휘광을 포착하고 가시광 분광학으로 그 적색편이를 직접 측정함으로써 GRB의 거리와 에너지를 알아낼 수 있었다. 이 발견들과 뒤따른 은하 및 초신성 연구에 의해 GRB의 거리와 광도가 더욱 정확히 밝혀졌다. 그 결과 GRB가 먼 외부은하들에서 발생한 현상이며 그 원인은 질량이 큰 항성의 폭발과 관련이 있다는 이해가 정립되었다.

## 역사
감마선 폭발은 1960년대 말 미국의 인공위성 벨라에 의해 처음 발견되었다. 미국은 소련이 1963년 핵실험 금지 조약에 조인해 놓고 비밀리에 핵실험을 하고 있는 것이 아닌지 의심했다. 그리고 벨라는 핵무기 실험 때 발생하는 감마선 펄스를 우주에서 감지하기 위해 만들어진 군사위성이었다. 협정 세계시 기준 1967년 7월 2일 14시 19분, 벨라 4호와 벨라 3호가 감마선 섬광을 감지했으나, 이는 그전까지 알려진 모든 핵무기와 양상이 달랐다. 이 감마선이 지구나 태양에서 나온 것이 아님을 확신했다. 이 발견은 1973년 기밀이 해제되어 천체물리학 저널에 〈우주기원 감마선 폭발의 관측〉이라는 제목의 논문으로 투고되었다.

이 폭발체들이 무엇인지 설명하고자 하는 많은 가설들이 제기되었는데, 대부분의 가설들은 우리은하 안에서 폭발체를 찾으려 했었다. 그래서 1991년 콤프턴 감마선 관측선이 발사되기 전까지는 관련된 진척이 거의 없었다. 콤프턴 관측선에 탑재된 순간적폭발원탐색기(Burst and Transient Source Explorer; BATSE)는 매우 민감한 감마선 검출기로, GRB들이 우주의 어느 방향(은하평면이나 은하중심 등)으로도 편향되지 않고 등방적으로 분포한다는 결정적 자료를 제공했다.

### 폭발원 후보천체
GRB가 처음 발견된 이후 수십년 동안 천문학자들은 감마선 이외의 대역에서 동일한 천체가 관측된 적이 없는지, 즉 최근 관측된 감마선 폭발과 위치적으로 같은 곳에 위치한 천체가 있는지 조사했다. 천문학자들은 백색왜성, 맥동전파원, 초신성, 구상성단, 퀘이사, 세이퍼트 은하, 도마뱀자리 BL 천체에 이르기까지 다양한 천체들을 GRB의 후보로 고려했다.

### 잔유휘광
GRB의 기원을 찾기 위한 여러 모형들은 감마선이 처음 폭발한 이후 사출물과 성간 기체가 충돌하여 감마선보다 긴 파장의 빛을 방출할 것이고 이것이 점차 어두워진다고 상정하고 있다.

모은하의 광도가 매우 어두웠기 때문에, 그 정확한 거리는 여러 해 동안 측정되지 못했다. 한편 BeppoSAX가 그 다음으로 발견한 GRB 970508을 통해서도 중요한 돌파구가 마련되었다. 이 GRB는 발견되고 4시간 안에 그 위치가 비정되었기에 연구진들이 매우 이른 관측을 수행할 수 있었다. 천체의 흡수선 분석 결과 적색편이 z = 0.835로 이는 곧 거리 약 60억 광년을 의미했다.

BeppoSAX는 2000년 작동을 중지하였고 2002년에는 BATSE를 탑재한 콤프턴 감마선 관측선(CGRO)이 궤도를 이탈, 태평양에 낙하해 파괴되었다. 그러나 GRB 연구의 혁명적 성과는 GRB의 성질, 특히 폭발 직후의 가장 이른 순간을 탐구하는 데 특화된 새로운 장비를 개발하도록 하는 동기가 되었다. 그러한 임무 중 최초의 것은 일시적 고에너지 탐사선(HETE) 2호로,

과거 수 년 동안 기술의 진보가 이루어졌고, 그 결과 단기지속 GRB를 초신성이 아닌 중성자별의 융합이 원인인 별개의 현상으로 분류해내는 성과를 얻었다. 또한 대부분의 GRB가 발생한 뒤 엑스선 대역에서 수 분 동안 불규칙적인 섬광 활동이 지속되는 점도 발견되었고, 가장 밝은 GRB(GRB 080319B), 가장 먼 GRB(GRB 090423)도 발견되었다. GRB 090423은 GRB 발생 당시까지 발견된 우주의 천체들 중 지구에서 가장 멀리 떨어진 천체였다. GRB 090423가 다시 가장 멀리 떨어진 GRB이자 알려진 천체 중 가장 멀리 떨어진 천체가 될 것이다.

## 분류
감마선 폭발의 광도곡선은 매우 다양하고 복잡하다.

일부 광도곡선은 단순화된 모형을 사용해 대략적으로 재현해 볼 수 있으나,

### 단기지속 감마선 폭발
지속시간이 약 2초 이하인 GRB를 단기지속 감마선 폭발(short gamma-ray burst)로 분류한다. 전체 GRB 중 단기지속 유형은 약 30%를 차지하지만, 2005년 이전까지도 단기지속 GRB의 잔유휘광을 제대로 포착해낸 적이 없으며 그 기원에 대해서도 밝혀진 것이 거의 없었다. 2005년 이후로는 단기지속 GRB의 잔유휘광이 여러 번 감지되었고, 그 중 일부는 대형 타원은하나 대형 은하단의 중심지역처럼 항성형성이 거의 또는 아예 일어나지 않는 곳에서 발생한 것도 있었다.

이 천체들의 정체가 무엇인지, 그리고 현재의 장기-단기 이원분류가 옳은 것인지조차 알 수 없다. 현재 선도적인 가설은 쌍성계의 중성자별 두 개의 융합

### 장기지속 감마선 폭발
관측된 감마선 폭발체 중 대부분(70%)은 지속 시간이 2초 이상이며 장기지속 감마선 폭발(long gamma-ray bursts)로 분류된다. 수적으로도 다수를 차지하고 있고 잔유휘광이 매우 밝은 경향이 있기 때문에 단기지속 GRB에 비교할 때 상당히 많은 연구가 이루어졌다. 괜찮은 연구가 이루어진 GRB 중 거의 전부는 항성형성이 빠르게 진행중인 은하와 관계되어 있으며, 많은 경우 중심핵 붕괴형 초신성과도 유관하다. 때문에 장기지속 GRB가 거대한 항성의 죽음과 관련이 있음은 명료하다.

### 초장기지속 감마선 폭발
장기지속 GRB의 마지막 단계인 분포상 "꼬리"가 10,000 초 이상 오래 지속될 경우 초장기지속 감마선 폭발(ultra-long gamma-ray burst)이라 한다. 초장기지속 GRB는 다른 GRB와 구분되어 청색초거성의 붕괴 결과일 가능성이 제기된다. 이를 보다 명확히 결론내기 위해서는 여러 파장 대역에 걸친 관찰이 이루어져야 할 것이다.

## 엄청난 에너지
GRB는 매우 밝기 때문에 엄청 멀리 떨어져 있음에도 지구에서 관측이 가능하다. 장기지속 GRB의 평균적인 절대선속은 우리 은하의 가장 밝은 항성들에 필적한다. 그러나 눈에 보이는 항성들이 멀어 봤자 수십 광년 거리에 있음에 비해 GRB들은 수십억 광년씩 떨어져 있다. 이 거대한 에너지의 대부분은 감마선 대역으로 방출되지만, 일부 GRB는 가시광선 대역에서도 극도로 밝은 광도를 나타낸다. 예컨대 GRB 080319B은 가시광 대역이 가장 밝을 때 실시등급이 5.8등급이었고,

이렇게 짧은 시간 동안 이렇게 많은 에너지를 생산할 수 있는 기작은 현재까지 밝혀진 바가 없다. 하여 감마선 폭발이 균일한 구형이 아니라 특정 방향으로 집중된 형태, 즉 광속의 99.995% 속력으로 운동하는 좁은 제트 형태의 폭발일 것으로 생각된다.

GRB의 에너지가 제트 줄기에만 거의 집중되어 있기 때문에 GRB가 내뿜는 감마선의 대부분은 지구에 도달하지 않고 아예 감지조차 되지 않는다. GRB의 제트가 지구를 가리키는 방향을 향하면 폭발의 에너지가 상대론적 분사출에 집중됨으로 인해 폭발이 구형으로 균일하게 일어날 경우보다 더 밝게 보인다. 이 효과를 고려할 때, 전형적인 GRB의 에너지 참값은 약 10 GRB의 에너지가 집중 방출된다는 설을 지지하는 또다른 증거로는 주위의 Ic형 초신성들의 스펙트럼에 나타나는 강한 비대칭성과

단기지속 GRB는 장기지속 GRB에 비해 적색편이가 작고(i.e. 거리가 가깝고) 광도가 작다. 단기지속 GRB의 분사출이 정확히 측정된 적은 아직 없으나, 장기지속 GRB보다 에너지 집중이 헐겁거나

## 감마선 폭발의 전구체
대부분의 감마선 폭발체가 지구에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에, 그 전구체가 무엇인지 폭발을 일으키는 시스템이 무엇인지 아는 것은 매우 어려운 일이다. 장기지속 GRB들 일부가 초신성과 연관이 있고 그 숙주 은하들이 항성형성이 매우 빠르게 일어나는 은하라는 점은 장기지속 GRB가 질량이 큰 항성과 관계된 현상임을 뒷받침하는 강력한 증거이다. 장기지속 GRB의 기원 기작으로 가장 널리 받아들여지는 것은 중력붕괴성 모형이다. 그러나 무거운 항성의 중심붕괴와 뒤이은 상대론적 제트 형성이라는 골자는 거의 대동소이하다.

우리은하의 천체들 중 감마선 폭발체의 가장 강력한 후보는 볼프-레이에별들이다. 볼프-레이에별은 매우 뜨겁고 질량이 큰 항성으로 복사압에 의해 수소를 대부분 또는 모두 바깥으로 날려버린 항성이다. 용골자리 에타, WR 104가 근시일 내에 감마선 폭발을 일으킬 수 있는 후보천체로 꼽히고 있다.

거대질량 항성 모형이 모든 유형의 GRB를 다 설명하지는 못할 것이다. 일부 단기지속 GRB는 항성형성이 일어나지 않고, 무거운 별도 없는 곳, 예컨대 타원은하나 은하헤일로에서 발생한다는 강력한 증거가 있다. 두개의 중성자별로 이루어진 쌍성계에서 두 중성자별이 융합하는 것이 단기지속 GRB의 기원을 설명하는 데 선호되는 가설이다. 이 모형에 따르면, 쌍성계의 두 별은 중력복사를 통해 에너지를 내보내기 때문에 서서히 와선을 그리며 서로에게 가까워지게 된다.

독일계 미국 학자 프리트바르트 빈터베르크는 중력붕괴가 일어나 블랙홀의 사건의 지평선에 다다르면 모든 물질이 감마선 폭발로 분해된다는 또다른 가설을 제기하였다.

### 조석교란
2011년 3월 28일 스위프트 감마선 폭발 임무 위성이 GRB 110328A를 감지하면서 새로운 GRB적 현상이 발견되었다. 당시 감마선은 2일간 지속되었으며, 이는 초장기지속 GRB보다도 훨씬 긴 것이다. 또한 엑스선 대역에서는 몇 개월에 걸쳐 잔유휘광이 지속되었다. 현상이 일어난 곳은 적색편이 z = 0.3534의 소형 타원은하의 중심이었다. 이 폭발현상이 항성붕괴의 결과인지 상대론적 제트를 수반한 조석교란인지 논쟁이 현재까지도 분분한데, 후자가 좀더 많은 지지를 받고 있다.

조석교란이란 어떤 항성이 초대질량 블랙홀과 상호작용할 때 일어나는 현상이다. 항성은 국수효과를 겪으면서 조각나고, 일부 경우 상대론적 제트가 형성되어 밝은 감마선 복사를 방출하기도 한다. GRB 110328A(스위프트 J1644+57)는 처음에는 주계열성이 수백만 태양질량 체급의 블랙홀에 의해 조석교란을 받은 것이라고 주장되었으나,

## 방출 기작
감마선 폭발체가 에너지를 복사로 바꾸는 수단에 대해서는 거의 이해가 제대로 이루어져 있지 않다. 2010년 현재에도 여전히 이 과정을 설명할 수 있는 널리 받아들여지는 모형은 존재하지 않는다.

감마선 폭발 이후 따라오는 감마선보다 파장이 긴 잔유휘광(엑스선-전파)의 성질은 감마선 폭발 자체보다는 잘 이해되고 있다. 폭발로 방출되는 에너지 중 폭발 자체의 형태로 방출되는 것을 제외한 에너지는 아광속으로 별 바깥을 향해 움직이는 물질 또는 에너지의 형태를 갖게 된다. 이 물질이 주위의 성간매질과 충돌하면 상대론적 충격파가 발생해 성간공간에 전파된다. 2차 충격파인 역충격이 분출된 물질 속으로 진행할 수도 있다. 충격파 속에 포함된 무지막지하게 큰 에너지의 전자들이 강력한 국소 자기장에 의해 가속되면 거의 모든 전자기 스펙트럼 대역에 걸쳐 싱크로트론 복사가 일어나는 것이다.

## 발생 빈도와 지구에 대한 위협
감마선 폭발은 생명체에게 해롭거나 파괴적인 영향을 미칠 수 있다. 우주 전체적으로 보았을 때 지구의 생명체와 유사한 생명체에게 가장 안전한 환경은 대형 은하의 외곽의 항성밀도가 낮은 영역일 것이다. 은하와 그 분류에 대한 우리의 지식은 우리가 아는 형태의 생명체는 모든 은하 중 약 10%에만 존재할 수 있음을 시사한다. 또한 적색편이 z ≥ 5인 은하들은 우리가 아는 바에 따르면 GRB 발생률이 높고 항성밀도가 높기에 생명체에게 부적합하다.

현재까지 관측된 모든 GRB는 우리은하 외부에서 발생했으며, 지구에 무해했다. 그러나 GRB가 우리은하 내부에서 일어나고, 그 방출 줄기가 지구를 똑바로 향한다면, 그 영향은 파멸적일 것이다. 현재 지구를 공전하는 인공위성들은 평균적으로 하루에 한 개의 GRB를 감지하고 있다. 2014년 3월 현재 가장 최근에 관측된 GRB는 1998년 관측된 GRB 980425로, 지구로부터 40 메가파섹(1억 3천만 광년)

GRB 발생 빈도를 정확하게 추산하기는 어렵지만, 우리은하와 같은 대략 크기의 은하에서 예상되는 장기지속 GRB의 발생 빈도는 대략 100,000 ~ 1,000,000년에 한 번 꼴이다.

GRB가 서로 반대 방향으로 방출되는 빛줄기와 관련된 현상으로 이해되는 고로, 그 제트의 경로상에 존재하는 행성만이 고에너지 감마선의 영향을 받게 될 것이다.

지금까지 알려진 생명체 중 자외선에 대한 저항력이 가장 뛰어난 세균 데이노코쿠스 라디오두란스는 인간보다 자외선을 2,000배 더 잘 견디지만, GRB의 자외선 복사는 지구에서의 거리에 따라 이마저 파괴시킬 수 있다. 최초 폭발이 지구를 휩쓸고 지나가면 감마선 폭발로 인한 자외선 폭격으로 대기 중의 오존층이 고갈될 것이기 때문에, 폭발에 직격한 면 뿐 아니라 직격을 피한 지구의 반대쪽 면도 생명유지에 치명적인 후유증을 겪게 될 공산이 크다.

### 지구에 미칠 영향
대체로 수 파섹 이내에서 지구를 향해 에너지를 방출한 GRB가 생명체에게 해를 끼치는 것은 대부분 자외선 준위 상승이 이유일 것이다. 모형들은 이 효과가 파괴적일 경우 DNA 파괴가 정상 수준의 16배까지 증가할 수 있음을 보여준다. 생물학 분야와 실험실 자료의 불확정성이 존재하기에 이러한 효과가 지구 생태계에 어떤 영향을 미칠지 신빙성 있는 평가를 내리는 것은 어려운 일이다.

일반적인 초신성 폭발도 GRB와 마찬가지 효과를 지구 대기에 가할 수 있다. 일반 초신성은 GRB보다 훨씬 빈번한 현상이고 지구 근처에서 일어날 확률도 높다. 초신성 발생률 및 그 분포는 우주생물학의 은하거주가능지역 개념을 정의하는 데 사용된다.

#### 과거에 감마선 폭발이 지구에 영향을 미쳤을 가능성
생명에 영향을 미칠 수 있을 만큼 가까운 GRB는 약 5백만 년에 한 번 꼴로 발생하며, 즉 지구가 탄생한 이래로 약 천여 번의 근지구 GRB가 있었다는 계산이 나온다.

4억 5천만 년 전의 오르도비스기-실루리아기 대량절멸의 원인이 GRB라는 설이 있다. 오르도비스기 말기의 삼엽충 중 해수면 근처 플랑크톤 층 아래에 살던 종들이 깊은 곳에 사는 종들보다 더 큰 피해를 입었다. 대절멸의 상황에서 보다 잘 살아남은 것은 널리 퍼져 있는 종들이었으며, 이 특이 패턴은 GRB를 통해 설명될 수 있다. 지상에 살거나 해수면 가까이 살던 생물들은 특히 파멸적 영향을 받았으나, 심해의 생물들은 상대적으로 무해했다.

774년–775년 탄소-14 급증의 원인이 단기지속 GRB라는 설이 제기되어 있으나,

#### 미래에 감마선 폭발이 지구에 영향을 미칠 가능성
가장 큰 위협은 천문학자들에게 GRB 후보로 지목되는 볼프–레이에별들이다. WR별이 초신성 폭발을 일으키면 강렬한 감마선 빛줄기를 방출할 것이고, 그 빛줄기의 진행선상에 지구가 존재한다면 파멸적 효과가 발생할 것이다. 감마선이 지구의 대기를 뚫고 표면에 직접 영향을 미치지는 못하겠지만, 성층권에 화학적 파괴가 일어날 것이다.

예컨대 지구로부터 8천 광년 떨어져 있는 WR 104이 감마선 폭발을 일으켜 10초 동안 지구가 감마선에 노출된다면, 전 세계의 오존층의 25%가 벗겨질 것이다. 이는 대량절멸, 먹이사슬 붕괴, 기아로 이어질 수 있다. 지구의 양면 중 GRB 쪽을 바로 바라보게 되는 면은 치명적인 전리방사선에 노출될 것이며, 이는 단기적으로는 방사능병을, 장기적으로는 오존층 감쇠로 인한 심각한 영향을 초래할 것이다. WR 104는 향후 5십만 년 내에 장기지속 GRB를 동반한 초신성으로 폭발할 것으로 생각된다.