블랙홀의 영향을 받는 별들의 특성은? (영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-29 19:00:15
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- 은하수와 이웃하는 거의 모든 다른 은하의 중심에는 초 거대질량 블랙홀이 있다.
- 예상과 달리 블랙홀 주변 별의 질량과 운명 사이에는 명확한 연관성이 없었다.
- 블랙홀에 매우 근접해 살아남은 모든 별의 한 가지 공통점, 중심 밀도 상대적으로 높다.

천체 물리학자들이 블랙홀에 먹이를 주고 있다
시뮬레이션은 블랙홀에 의해 별이 찢어지는 때를 보여준다.


별이 초 거대질량 블랙홀에 너무 가까워지면 어떻게 될까?
별은 어느 정도 떨어져 있을 때 찢어질까?
천체 물리학자들은 최근 상세한 시뮬레이션에서 처음으로 이것을 조사했으며 놀라운 사실을 발견했다. 예상과 달리 별의 질량은 운명에 거의 영향을 미치지 않기 때문이다. 그 대신 팀이 블랙홀의 질량과 별의 중심 밀도가 더 중요하다.  

▲ 블랙홀에서 분해되는 별. 천체 물리학자들은 최근 시뮬레이션을 사용하여 그러한 별 파괴가 발생하는 시점과

발생하지 않는 시점을 조사했다. © NASA / GSFC, 류태호 / MPI for Astrophysics


은하수와 이웃하는 거의 모든 다른 은하의 중심에는 초 거대질량 블랙홀이 있다.
블랙홀의 중력은 근처 별들을 극한의 속도로 가속시키고 그들의 궤도에서 로제트 모양의 이동을 이끈다. 그러나 별이 블랙홀에 너무 가까이 다가가면 블랙홀은 그 별의 종말을 위협한다. 조석의 힘이 먼저 스파게티 면처럼 뻗은 다음 완전히 찢어진다. 별 물질의 일부는 블랙홀에 의해 삼켜지고 나머지는 방출된다.

별은 언제 위험해지는가?

블랙홀에 얼마나 근접한 곳에서 별이 위협을 받을까?
그의 운명에 영향을 미치는 요인은 무엇일까?
볼티모어의 존스 홉킨스 대학의 류태호와 함께 일하는 천체 물리학자들은 최근 이것을 처음으로 더욱 자세히 조사했다. 그들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 물리적 효과를 별의 내부 구조에 대한 현실적인 모델과 연결하는 일련의 시뮬레이션을 개발했다. 첫 번째 시뮬레이션이었다.

이 시뮬레이션에서 천체 물리학자들은 8개의 다른 질량을 가진 별을 초 거대질량 블랙홀에 가깝게 만들었다. 질량 스펙트럼은 태양 질량의 0.15배에 불과한 왜성에서부터 태양 질량의 10배에 달하는 거대한 항성까지 다양했다. 연구팀은 0.3, 1 그리고 3 태양 질량 등 3가지 별 유형에 대해서도 블랙홀의 질량을 10만에서 1천만 태양 질량으로 변화시켰다.

목표는 조석 반경(rt)이 어디에 있는지, 즉 조석력에 의해 별이 찢겨지는 블랙홀로부터의 거리를 찾는 것이었다.

▲블랙홀의 중력은 근처 별들을 극한의 속도로 가속시키고 그들의 궤도에서 로제트 모양의 이동을 이끈다.

동영상 스냅 샷


예상과 다름

시뮬레이션 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다.
예상과 달리 별의 질량과 운명 사이에는 명확한 연관성이 없었다. 더 작고 더 큰 별들은 가까이 다가가도 살아남았다. 그것들은 일시적으로 늘어나고 찢어졌을 뿐이었다. 그러나 비슷한 질량 범위의 다른 별들은 완전히 파괴되었다.

류와 그의 동료들은 "블랙홀과의 거리가 조석 반경에 도달할 때 별이 늘어나기 시작한다"고 보고했다. 블랙홀에 가장 가까이 접근하는 시점에서 별은 이미 극도로 왜곡되어 분리되어 있다. 그 과정에서 점점 더 많은 물질이 블랙홀에서 빠져나가고 있다. 연구원들은 "별이 블랙홀에서 멀리 이동할 때까지 상당한 질량 손실이 계속된다"고 설명했다.

질량보다 중요한 중심 밀도

천체 물리학자들은 "물리적 조석 반경은 0.15에서 3 태양 질량의 범위에 걸쳐 거의 일정하게 유지되며 따라서 모든 별의 압도적 다수를 포함하는 범위에 걸쳐서"라고 기술했다. 이것은 매우 큰 별 질량에서만 변경된다. 예상대로 블랙홀 자체의 질량으로 밝혀진 또 다른 요인은 크기가 클수록 조석 반경이 더 멀어지는 것이다.

질량에 관계없이 일부 별이 다른 별보다 더 탄력적인 이유는 무엇일까?
더 면밀한 분석에 따르면 블랙홀에 매우 근접하여 살아남은 모든 별에는 한 가지 공통점이 있다. 바로 중심 밀도가 상대적으로 높다는 것이다. 별의 내핵에 밀도가 높을수록 완전히 파괴되지 않고 블랙홀을 지나칠 수 있다.

<블랙홀에서 별은 언제 찢길까? © NASA / GSFC, 류태호 / MPI for Astrophysics>


지금까지 과소평가된 부분적 붕괴 비율

 

시뮬레이션은 또한 블랙홀의 조석력에 의해 별이 완전히 파괴되는 것과 거의 같은 빈도로 부분적 붕괴가 발생한다는 것을 보여주었다. 이 경우 별은 처음에는 쪼개지다가 블랙홀을 통과하면 다시 뭉친다. Ryu와 그의 동료들은 "이러한 부분적인 붕괴는 이전에 거대했던 별을 크게 축소시킬 수 있다"고 설명했다. 결과적으로 주계열성은 별의 잔해가 될 수 있으며, 블랙홀을 통과하는 다음 통과 시 최종적으로 파괴될 수 있다.

Ryu와 그의 팀은 별의 각운동량을 별이 완전히 또는 부분적으로만 찢어졌는지를 결정하는 결정 요소 중 하나로 확인했다. 시뮬레이션은 조석 붕괴 후 얼마나 많은 별 물질이 남아 있는지에 대한 새로운 데이터를 제공했다. 천문학자들은 이러한 발견이 이제 우주에서 그러한 격변적인 별 파괴의 빈도와 과정을 더 잘 평가하는 데 도움이 되기를 바라고 있다.
(The Astrophysical Journal, 2021; doi: 10.3847 / 1538-4357 / abb3cf)
출처: NASA

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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