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- NET: 초신성보다 수천 배 더 많은 에너지를 방출하며, 6개월 이상 지속
- 스펙트럼 특징은 알려진 어떤 초신성 유형과도 일치하지 않아
- 초대질량 블랙홀의 강착과 일치

빅뱅 이후 가장 강력한 폭발
천문학자들, 새로운 우주 거대 폭발 유형 발견

기록을 경신하는 우주 에너지:  

▲ 천문학자들은 세 건의 기록적인 우주 폭발의 가능한 원인을 밝혀냈다. © John A. Paice/ 사우샘프턴 대학교

고에너지 폭발은 우주에서 드문 일이 아니다. 별은 폭발하거나 다른 별과 합쳐지고, 행성은 별에 삼켜지며, 블랙홀은 너무 가까이 다가오는 모든 것을 파괴한다. 최근 몇 년 동안 천문학자들은 기존 범주에 속하지 않는 극심한 복사 폭발을 감지했다. 이 폭발들은 초신성이라기에는 너무 강력하고, 감마선 폭발이라기에는 너무 길며, 광도 곡선은 알려진 어떤 현상과도 일치하지 않는다.

세 건의 불가사의한 기록 경신 폭발

그렇다면 이러한 우주의 거대 폭발의 원인은 무엇일까? 하와이 대학교의 제이슨 힌클(Jason Hinkle)이 이끄는 천문학자들은 그 원인을 찾기 위해 세 건의 폭발을 자세히 조사했다. 가장 강력한 폭발인 AT2021lw는 2021년 4월 캘리포니아의 츠비키 천문 관측소(ZTF)에서 포착되었다. 약 800만 광년 떨어진 곳에서 발생한 이 폭발은 1.5 x 1052 에르그의 에너지를 방출했는데, 이는 이전에 관측된 어떤 폭발보다도 강력했다. 2년이 지난 지금도 이 기록적인 폭발의 원인은 여전히 ​​불분명하다.

▲ 폭발 원인 재구성: 거대한 별이 초대질량 블랙홀에 너무 가까이 접근하여 블랙홀의 조석력에 의해 산산이 조각난다. 그 후 별의 물질은 블랙홀 주위에 뜨겁고 복사하며 빠르게 회전하는 강착 원반을 형성하여 막대한 에너지를 방출한다. © 하와이 대학교

힌클과 그의 연구팀은 유럽 가이아 우주 망원경의 기록 보관소를 집중 조사해 두 건의 거대 폭발을 추가로 확인했다. 2016년과 2018년에 이 망원경은 각각 Gaia16aaw와 Gaia18cdj로 명명된 매우 밝고 고에너지 폭발을 포착했다. 천문학자들은 이제 세 가지 폭발을 다시 분석하고 비교했다. "극단적 핵 과도현상"(ENT)으로 불리는 이 폭발의 잠재적 원인을 더 자세히 알아보기 위해 다른 망원경의 데이터도 활용했다.

▲ 세 가지 극단적인 핵 과도 현상의 밝기와 광도. © Hinkle 외/Science Advances, CC-by 4.0

놀라운 유사점

결과:
세 가지 거대 폭발 모두 상당한 유사점을 보였다. 천문학자들은 "ENT의 광도 곡선은 각각 최대 밝기에 도달하는 데 약 100일이 걸렸다. 그 후 절반으로 사라지는 데 150일이 더 걸렸다"고 보고했다. 세 가지 ENT 모두 매우 밝다. 광도만으로도 2~7 x 1045 에르그(erg)의 에너지에 해당한다. 연구팀은 "이는 일반적인 핵 붕괴 초신성보다 약 1천 배 더 밝다"고 밝혔다.

▲ 다양한 과도 현상 유형에 대한 특성 시간 척도와 비교한 광학 절대 등급. 파란색 영역은 다양한 유형의 별빛유도체(SNe)를, 녹색 영역은 별의 합병 및/또는 질량 이동 유형을, 빨간색 영역은 SMBH에 대한 강착으로 발생한 현상을 나타낸다. 과광도 핵 과도 현상 ASASSN-15lh는 보라색 + 기호로, ENT 샘플은 빨간색 기호로 표시돼 있다. (출처;The most energetic transients: Tidal disruptions of high-mass stars / Science Advances / 4 Jun 2025)

주목할 만한 점은 세 가지 폭발 모두 멀리 떨어진 은하의 중심에서 발생하며, 그 빛 스펙트럼은 푸른빛을 띠고 수소와 단일 이온화된 마그네슘의 넓은 스펙트럼선을 보인다는 것이다. 힌클과 그의 동료들은 "이러한 스펙트럼 특징은 알려진 어떤 초신성 유형과도 일치하지 않지만, 초대질량 블랙홀의 강착과 일치한다"고 설명했다. 이러한 블랙홀이 가스 구름이나 별을 파괴할 때, 광도 곡선은 유사하지만 더 짧고 덜 극단적이다.

블랙홀에서의 별의 죽음?

힌클은 "지난 10년 동안 이러한 조석 파괴 사건으로 별이 파괴되는 것을 여러 번 관찰했다"며 "하지만 이러한 엔테로제타(ENT)는 훨씬 더 강력한 괴물이다. 이러한 유형의 일반적인 별 파괴보다 훨씬 더 밝고 더 오래 지속된다"고 말했다. 그런데도 천문학자들은 세 가지 엔테로제타가 이러한 활동적인 은하핵의 파괴적인 활동의 결과일 수도 있다고 설명한다.

"이러한 극단적인 사건에 대한 가장 그럴듯한 설명은 거대한 별의 파괴와 그 물질이 초대질량 블랙홀에 의해 빨려 들어가는 것이다"고 연구팀은 기술했다. 기록적인 에너지와 지속 시간을 설명하려면 블랙홀의 질량이 최소 태양 질량의 2억 5천만 배 이상이어야 한다. 천문학자들은 찢어진 별의 경우 태양 질량의 3배에서 10배 사이를 계산했다. 이러한 극단적인 핵융합 현상은 이러한 극단적인 핵융합 현상이 동시에 발생할 때만 발생한다.

▲ 여러 그룹의 발광 핵 플레어에 대해 관측된 최대 광학 절대 등급과 비교한 방출 에너지. 이 연구에서 생성된 ENT는 빨간색 사각형으로, (109)의 샘플에서 생성된 ANT는 보라색 오각형으로, CRTS 데이터에서 (5)에 의해 확인된 매끄럽고 단조로운 AGN 플레어는 파란색 원으로 표시되어 있다. 열린 보라색 기호는 최근 ZTF 측광법에서 비단조성을 보이는 ANT를 나타낸다. ANT에서 ENT까지 연속적인 현상이 나타나지만, CRTS AGN 플레어는 에너지가 약 한 자릿수 낮다. (출처;The most energetic transients: Tidal disruptions of high-mass stars / Science Advances / 4 Jun 2025)

"우주에서 가장 극단적인 사건에 대한 안내서"

힌클과 그의 팀은 이로써 지금까지 알려진 가장 강력한 우주 폭발의 미스터리를 풀었을지도 모른다. 연구팀에 따르면, 드물지만 훨씬 더 강력한 거대 폭발은 독특한 종류의 재앙적 우주 사건을 형성한다. 이러한 사건은 "가해자"와 "피해자" 모두 특히 거대할 때만 발생한다. 천문학자들은 "따라서 ENT는 우주에서 가장 극단적인 순간적인 사건을 더 잘 이해하는 데 이상적인 안내서다"고 말했다.

동시에, 이러한 초거대 조석 파괴 사건은 특히 초기 우주에서 초대질량 블랙홀의 행동과 성장을 연구하는 데에도 유용하다. 힌클의 동료인 벤저민 샤피는 "이러한 사건들은 매우 밝아서 우리는 엄청난 우주적 거리를 가로질러 볼 수 있으며, 천문학에서 거리는 시간을 거슬러 올라가는 것을 의미한다"고 설명했다. 예를 들어, 이러한 ENT는 블랙홀이 과거에 거성(巨星)을 더 자주 집어삼켰는지, 그리고 그 결과 얼마나 성장했는지를 밝혀낼 수 있다.

힌클은 "이러한 ENT는 거대 별의 극적인 종말을 의미할 뿐만 아니라, 우주에서 가장 큰 블랙홀의 성장을 담당했을 수 있는 과정에 대한 단서를 제공한다"고 설명했다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adt0074)
출처: W. M. Keck 천문대, 하와이 대학교 마노아 캠퍼스, NASA

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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