중성자별과 블랙홀의 충돌로 발생한 최초의 중력파

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-01 00:25:11
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* 블랙홀은 중성자별을 삼킨다.
* 얼마나 작거나 클 수 있는지, 얼마나 빨리 회전하는지, 어떻게 짝을 이루는지 의문 투성이
* LIGO 및 Virgo 팀은 현재 2022년 다음 관찰 실행, 더 높은 감도 위해 탐지기 최적화 중

블랙홀은 중성자별을 삼킨다.
중성자별과 블랙홀의 충돌로 발생한 최초의 중력파


우주 팩맨 (Cosmic Pac-Man) :
천문학자들은 중성자별과 블랙홀의 충돌로 인한 최초의 명확한 중력파 신호를 포착했다.
LIGO와 처녀 자리 천문대는 2020년 1월에 두 가지 사건을 감지했다. 블랙홀은 아마도 더 작은 중성자별을 전체적으로 삼켜 버렸을 것이고 그에 수반되는 방사선 폭발 없이.
이러한 혼합 충돌의 증거는 이러한 불평등 쌍의 기원, 개발 및 끝에 대해 ​​더 많이 배울 수 있는 기회를 제공한다. 

▲ 중성자 별이 블랙홀과 충돌하면 중력파가 자유로워진다. 이제 천문학자들은 이것을 처음으로 분명하게 증명했다.

© Carl Knox, OzGrav / Swinburne University


2016년에 처음으로 중력파를 감지한 이후 천문학자들은 LIGO 및 처녀 자리 감지기와 50개 이상의 우주 충돌을 기록했다. 보통 두 개의 항성 블랙홀이 합쳐졌고, 경우에 따라 두 개의 중성자별이 합쳐졌다. 극도로 불평등한 집단을 가진 두 파트너의 합병도 포함되었다.

그러나 지금까지 누락된 것은 중성자별과 블랙홀의 충돌이라는 혼합 듀오의 분명한 증거였다.
2019년 4월에 후보자가 있었지만 데이터 상황은 분명한 증거를 얻기에는 너무 좁았다.
2020년 6월의 또 다른 사건은 두 번째 파트너가 블랙홀에는 너무 쉬웠지만 중성자별에는 너무 무거웠기 때문에 당혹스럽다.

연속으로 두 번의 혼합 충돌

이제 처음으로 천문학자들은 중성자별과 블랙홀의 충돌에 대한 명확한 신호를 포착했다.
2020년 1월 미국의 LIGO 감지기와 이탈리아의 처녀 자리 감지기는 이러한 혼합 듀오의 중력파를 두 번 연속으로 등록했다. 포츠담에 있는 막스 플랑크 중력 물리학 연구소의 Bhooshan Gadre는 "중력파만으로는 가벼운 물체의 구조를 알 수 없지만 최대 질량을 결정할 수 있다."고 설명했다.

이 분석은 두 충돌에서 더 작은 파트너가 블랙홀이 될 수 없으며 질량이 낮기 때문에 중성자 별이어야 함을 보여준다. 2020년 1월 5일 GW200105 이벤트에서 태양 질량 8.9개의 블랙홀과 태양 질량 1.9 개의 중성자별이 서로 충돌했다. 이 충돌의 에너지는 약 9억년 후 지구에 도달한 중력파를 방출했다.

두 번째 이벤트는 1월 15일에 녹화됐다.
GW200115는 태양 질량 5.7개의 블랙홀과 태양 질량 1.5개의 중성자별에 의해 촉발됐으며, 약 10억 광년 떨어진 곳에서 충돌했다.
▲ 루이지애나 리빙스턴의 LIGO 검출기 : 2km 길이의 진공관에 있는 레이저 빔은 가장 작은 변화를 나타내는 지표 역할을 한다. © Caltech / MIT / LIGO Lab

수반되는 방사선이 있을까?

이 두 번째 충돌의 중력파가 LIGO 감지기와 처녀 자리 감지기 모두에 양호한 품질로 도달했기 때문에 천문학자들은 적어도 대략적인 사건의 가능한 위치를 결정할 수 있었다.
삼각 측량을 사용해 약 3천 개의 보름달 크기에 해당하는 하늘 영역으로 위치를 좁혔다.
이 대략적인 위치 결정으로 다른 팀은 망원경을 사용하여 충돌의 전자기 효과를 검색할 수 있었다. 이러한 방사선 폭발은 일반적으로 두 개의 블랙홀이 충돌할 때 나타나지 않지만 중성자 별이 합쳐진 후에 감지됐다. 그러나 혼합 충돌에서도 해제될지는 불분명하다. 적어도 GW200115에서는 천문학자들이 아무것도 찾지 못했다.

삼킨 전체-팩맨처럼

가능한 이유 :
중성자별은 방사 파편을 남기지 않고 블랙홀에 의해 전체적으로 삼켜졌을 것이다.
위스콘신-밀워키 대학의 LIGO 대변인 패트릭 브래디는 "블랙홀이 중성자별을 처음으로 조금씩 갉아 먹고 쿠키 괴물처럼 조각을 던지는 사건이 아니었다"고 설명했다. "이 방출은 방사선을 생성할 것이지만 우리는 그러한 경우에 그런 일이 일어나지 않았다고 생각한다.“

“이러한 충돌에서 두 개의 거대하고 조밀한 물체는 단순히 합쳐져 병합되지 않는다. 이것은 Pac-Man과 비슷합니다. 블랙홀은 중성자별 파트너 전체를 삼켜 버린다”고 호주 국립대학교의 공동 저자 수잔 스코트(Susan Scott)은 덧붙였다. "이것은 정말 놀라운 사건이며 우리는 그것을 목격하기 위해 오랫동안 기다렸다.“

답이 없는 많은 질문

이벤트 GW200105 및 GW200115는 이러한 불평등 충돌이 우주에 존재하며 중력파를 통해 감지 될 수 있음을 분명히 보여준다. 동시에 이러한 충돌은 천문학자들이 그러한 혼합 쌍의 기원, 발달 및 끝을 더 자세히 조사할 수있는 새로운 기회를 열어준다.

Evanston에 있는 Northwestern University의 마야 피쉬바흐(Maya Fishbach)는 “중성자별과 블랙홀에 대해 우리가 알지 못하는 것이 너무 많다. 얼마나 작거나 클 수 있는지, 얼마나 빨리 회전하는지, 어떻게 짝을 이루는지 등이다”고 말했다.

LIGO 및 Virgo 팀은 현재 2022년 다음 관찰 실행을 위해 더 높은 감도를 달성하기 위해 탐지기를 최적화하고 있다. 그룹의 세 번째 구성원인 일본 KAGRA 감지기도 2020년부터 운영되고 있다.
(The Astrophysical Journal Letters, doi : 10.3847 / 2041-8213 / c082e)
출처 : University of Wisconsin-Milwaukee, Northwestern University, CNRS, Australian National University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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