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블랙홀로 빠지면서 별은 질량의 75%를 잃는다.

블랙홀로 빨려 들어가는 별 스파게티 모양으로 사라져
천문학자들은 블랙홀에 의해 찢어지는 별을 관찰했다.

블랙홀에서의 별 죽음 :
천문학자들이 처음으로 초거대 블랙홀에 의해 태양과 같은 별이 어떻게 찢어지고 있는지 관찰했다. 별은 물질의 얇은 실로 스파게티 모양으로 찢어지고 중력 거인에 의해 삼켜졌다. 항성 물질의 약 절반은 블랙홀에 들어가고 나머지 절반은 먼지와 가스로 뒤덮인 구름을 형성했다.

▲ 별이 블랙홀에 너무 가까워지면 변형되고 찢어지고 얇은 실로 당겨진다. © ESO / M. Kornmesser

2014년에 은하수의 중심부에 있는 별은 그저 죽음을 피할 수 있었다.
우리 은하의 중앙 블랙홀에 접근했지만 찢어지지 않았다. 그러나 모든 별이 그렇게 운이 좋은 것은 아니다. 일부는 거대한 중력 거인에 너무 가까워서 엄청난 조력으로 별이 찢어진다.

"불행한 별이 은하 중심에 있는 초 거대 질량 블랙홀에 너무 가까이 다가가면 블랙홀의 극심한 중력으로 인해 별이 얇은 실로 찢어진다." 케임브리지 대학의 공동 저자 토마스 웨버스(Thomas Wevers)가 설명한다. 별은 어느 정도 ‘스파게티’가 된다.

초거대 블랙홀의 이 ‘축제’는 수백만 광년에 걸쳐 볼 수 있는 강력한 광선을 통해 볼 수 있다.

멀리 있는 태양이 찢어져

그러한 ‘조력 붕괴 사건’에서 일어나는 일이 최근 천문학자들에 의해 그 어느 때보다 더 면밀하고 자세하게 관찰되었다. 명명된 AT2019qiz 사건은 2019년 9월 29일 단기 우주 사건을 전문으로 하는 자동 망원경에 의해 감지되고 보고됐다.

조금 후에 다른 망원경들도 지구에서 약 2억 1천 5백만 광년 떨어진 에리다니(Eridani) 별자리에서 빛을 발하는 광선의 폭발을 목표로 삼았다.

6개월 동안 Wevers의 팀과 버밍엄 대학의 제1저자 매트 니촐(Matt Nicholl)은 서로 다른 빛의 파장 범위에서 먼 블랙홀에서 발생한 사건을 추적할 수 있었다.
"관찰 결과에 따르면 별은 우리 태양과 거의 같은 질량을 가지고 있으며 그중 절반이 블랙홀로 잃어버린 것으로 나타났다. 이것은 백만 배가 넘는 질량이다"고 Nicholl은 말했다. 

▲ AT2019qiz의 관찰 이미지. 출처: Oxford Press

먼저 강한 광선으로 폭발 후 어두운 곳으로

 

이벤트가 시작될 때 블랙홀의 강한 중력은 별의 광구를 확장시켜 별 물질의 강한 폭발을 일으켰다. 이것은 스펙트럼 분석에 따르면 초당 최대 1만km의 속도로 별에서 포착되었다.
데이터에서 천문학자들은 이 스파게티 화의 결과로 별이 질량의 약 75%를 잃었다고 결론지었다.

죽어가는 별이 빨아들이는 물질은 가속과 블랙홀의 중력과의 상호 작용을 통해 밝은 광선 폭발을 일으켜 며칠 동안 크게 증가한다. 그러나 정점 후에는 이 방사능 방출이 상당히 약해진다. 연구진은 “온도가 갑자기 최대 밝기 부근으로 떨어진다”고 보고했다.

"커튼 뒤의 독특한 전망"

처음으로 천문학자들은 이 어두워지는 원인을 보다 정확하게 관찰할 수 있었다.
에반스톤(Evanston)에 있는 Northwestern University의 공동 저자 케이트 알렉산더(Kate Alexander)는 "우리가 그를 일찍 포착했기 때문에 블랙홀이 물질의 강력한 방출을 촉발하면서 먼지와 파편이 쌓이는 것을 볼 수 있었다"고 말한다.
"커튼 뒤의 이 독특한 모습은 우리에게 감싸고 있는 재료의 출처를 결정할 수 있는 첫 번째 기회를 주었다."

관측은 별에서 나오는 물질이 이 코쿤(cocoon,누에 고치 모양)을 위해 잔해를 만든다는 가설을 확인시켜 준다. 동시에 이 현상은 왜 조석(潮汐) 방해 사건이 광학적으로 밝지만 종종 약한 X-선만 방출하는지 설명한다. 코쿤이 이러한 방사선을 삼킨다.

부족한 에너지에 대한 수수께끼

AT2019qiz의 관찰은 또한 소위 "에너지 부족 문제"를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.
Nicholl과 동료들은 "이것은 대부분의 조석 붕괴 사건에서 관찰된 51개의 에르그(에너지의 단위 CGS단위, 1에르그는 0.1μJ. 독일에서는 1978년부터 법적으로 사용하지 않음)의 힘에 대한 최대 10의 광도가 초거대 블랙홀을 통해 상당한 양의 별 덩어리를 빨아들일 때 실제로 방출되어야 하는 에너지의 양보다 몇 배 더 낮다는 사실에 근거 한다"고 말했다.

한 가설에 따르면, 이 에너지의 대부분은 죽어가는 별에서 나오는 물질의 가속으로 들어간다. “하지만 누락된 에너지 양을 설명하기 위해 그것만으로는 충분하지 않다”고 연구자들은 말한다. 또한 AT2019qiz의 관찰 결과가 일치하지 않았다.
또 다른 설명은 잔류 에너지가 분화 중에 직접 방출되는 것이 아니라 그 이후에만 방출된다는 것이다.
"AT2019qiz는 연간 태양 질량의 몇 퍼센트 만 블랙홀에 축적함으로써 나머지 예상 에너지를 방출 할 수 있다"고 천문학자들은 추측한다.

Nicholl과 그의 팀은 "AT2019qiz의 근접성은 지속적인 모니터링을 통해 이러한 시나리오를 테스트하는 데 이상적인 소스가 된다"고 덧붙였다.
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020; doi: 10.1093/mnras/staa2824)
출처: European Southern Observatory (ESO), University of Birmingham

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