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블랙홀과 중성자별 사이 충돌의 첫 번째 증거

중력파 신호 수수께끼
‘과체중 중성자 별’도 블랙홀의 파트너가 될 수 있다.

중성자 별일까?
천문학자들이 지금까지 독특한 사건의 중력파를 포착했다.
단지 2.6태양 질량을 가진 가벼운 파트너와 블랙홀의 충돌이다.
이로 인해 블랙홀에는 이 물체가 너무 가볍지만 중성자별에게는 너무 무겁다.
수반되는 방사선 발생도 없었다. 그럼에도 불구하고, 이것은 블랙홀과 중성자별 사이 충돌의 첫 번째 증거가 될 수 있다.

▲ 천문학자들이 블랙홀이 극도로 밝은 파트너 (중성자 별)와 합쳐지는 충돌에서 중력파를 감지했다. © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

우주에 거대한 물체가 합쳐지면 방출된 에너지가 시공간을 흔들어 중력파가 발생한다.
2016년 초에 이 파동을 처음 감지 한 이후, LIGO와 Virgo 검출기는 이러한 시공간 충격으로 인해 두 개의 블랙홀의 수십 개가 합병하는 것을 이미 감지했으며 두 개의 중성자별과 두 개의 크기가 다른 블랙홀 사이의 충돌도 있었다.

고르지 않은 충돌 신호

그러나 새로운 신호는 이러한 경우와 일치하지 않는다.
2019년 8월 14일에 미국의 LIGO 감지기와 이탈리아의 Virgo 감지기에 의해 포착된 중력파다. 연구원들이 보고한 것처럼 가장 강력한 신호 중 하나이다. 그들은 별자리 조각가(조각가)의 방향으로 약 7억 7천만 광년의 거리에서 GW190814를 명명하게 한 사건의 기원이 됐다.

초기 분석 결과에 따르면 이 충돌 중에 매우 다른 두 개의 물체가 서로 융합되어야 한다.
한 파트너는 태양 질량이 23배인 블랙홀이고 다른 파트너는 태양 질량의 2.6배에 불과하다. 천문학자들에 따르면 중력파 사건에서 이러한 질량의 큰 차이는 이전에 결코 본 적이 없다고한다.

포츠담에있는 막스 플랑크 중력 물리 연구소 (Max Planck Institute of Gravitational Physics)의 아브히룹 고쉬(Abhirup Ghosh)는 “GW190814 신호는 예상치 못한 흥미로운 발견이다”고 말했다.

▲ 별의 블랙홀, 중성자 별 (각각 태양 질량) 및 모서리 길이가 40km 인 정사각형 표면(도시)의 시뮬레이션 크기 비교 . 출처: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutronenstern#/media/Datei:Earbhnscity.png

중성자별일까?

작은 파트너는 어떤 종류의 물체일까?
2.6태양 질량으로, 그것은 블랙홀과 중성자별 사이의 아무도 없는 곳에 정확하게 놓여 있다. “실제로 블랙홀이라면 가장 가벼운 것으로 알려져 있다. 그러나 그것이 중성자별이라면, 이중 시스템에서 관찰한 것 중 가장 거대한 별이다”라고 Ghosh는 말한다.
현재 모델에 따르면, 중성자별의 상한은 2.16태양 질량으로, 회전하고 있는 표본에 약 20% 더 높다.

천문학자들이 너무 무거운 중성자별을 감지 한 것은 이번이 처음이 아니다.
그리고 지금까지 어떤 조건에서 상한에 대한 예외가 있는지는 명확하지 않다.
이와 관련하여 GW190814의 ‘주니어 파트너’가 약간 과체중인 중성자별일 가능성이 높다.
첫 번째 LIGO 분석은 이 확률을 99% 이상으로 높였다.

이것이 확인되면, 이것은 블랙홀과 중성자별의 충돌에 대한 첫 번째 명백한 증거다.
2019년 4월 26일의 이전 후보는 너무 약해서 명확한 과제를 제출할 수 없었다.

킬로노바(Kilonova) 없음

* 킬로노바 : 두 중성자별 또는 블랙홀이 병합할 때 발생하는 짧은 폭발 

 

중성자별의 참여를 나타내는 지표는 소위 킬로노바(Kilonova)라고 불리는 방사능 발생일 수 있다. 맥길 대학교(McGill University)의 니콜라스 비에이라(Nicholas Vieira)와 그의 팀은 GW190814를 받은 지 이틀 만에 적외선 및 광학 파장에서 신호의 출처를 검색했다.

그러나 비에이라와 그의 동료들은 "우리는 이 합병에 대해 설득력있는 광학적 대응 물체를 찾지 못했다"고 말했다. GW190814에서 전자기파가 방출되면 일반적인 킬로노바에 비해 훨씬 낮다. 연구원들은 중성자별이 충돌하는 동안 0.04미만의 태양 질량의 물질을 우주로 던져야 한다고 계산했다.

이벤트 지평 뒤에 파열됐을까?

이것을 어떻게 설명 할 수 있을까?
천문학자에 따르면 두 가지 시나리오를 생각할 수 있다. 블랙홀이 중성자별을 너무 빨리 삼켜 서 파열이 많은 방사선을 방출하기 전에 사건 지평 뒤에서 사라질 수 있었다.
노스 웨스턴 대학교의 비키 카롤게라(Vicky Kalogera)는 “Pac-Man은 약간의 포인트를 먹는 것과 같다. 질량이 너무 비대칭이라면 작은 중성자별이 우연히 삼켜질 것이다"고 설명한다.

그러나 더 작은 파트너가 매우 가벼운 블랙홀이라는 것도 생각할 수 있다.
그렇다면 이것은 약 5개의 태양 덩어리가 있는 지금가지 알려진 가장 작은 스텔라 블랙홀의 절반에 불과하다.

              <이 시뮬레이션은 두 개체의 융합을 보여준다. 그 중 하나는 다른 것보다 9 배 더 크다.

                                           © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik >

"진정한 도전"

어쨌든 한 가지는 분명하다.
GW190814는 중력파에 의해 이전에 감지된 모든 사건과 다르다.
Vicky Kalogera는 “이론적인 모델에 대해 질량 차이가 큰 중간에 그러한 더 가벼운 파트너를 가진 병합 커플을 설명하는 것은 매우 어려운 일이다. 우리의 발견은 그러한 사건들이 우리 생각보다 자주 발생한다는 것을 시사한다"고 말했다.

천문학자들은 이제 미래의 LIGO / Virgo 관측에서 더 많은 신비로운 물체를 찾으려고 한다.이것은 균등하지 않은 쌍의 퍼즐을 푸는 데 도움이 될 수 있다.
카르디프 대학교(Cardiff University)의 챨리 호이(Charlie Hoy)는 “GW190814는 완전히 새로운 이중 시스템의 첫반재 관찰일 수 있다”고 말했다.

 (Astrophysical Journal Letters, 2020; doi: 10.3847/2041-8213/ab960f; Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847/1538-4357/ab917d)
출처: LIGO, Max-Planck-Gesellschaft, Canada-France-Hawaii Telescope

 

[더사이언스플러스] "Green Soul, Beautiful Science"

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