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- 처음으로 라디오파에서 감마선에 이르는 모든 파장에서 조석 붕괴 사건(TDE) 관찰
- 이 사건은 알려진 가장 강력한 감마선 폭발 잔광보다 100배 더 강력
- 85억 광년 떨어져 있는 이 사건은 지금까지 기록된 사건 중 가장 먼 거리에 있는 사건

블랙홀에서 특이한 별의 죽음
극심한 조석 붕괴로 인해 제트가 지구를 직접 향하게 됨

우주 과녁:
천문학자들이 블랙홀에서 별이 죽는 매우 드문 경우를 관찰했다. 플라즈마와 광선의 분출(jet)로 인해 별이 파열되는 것이다. 더 드문 경우는 이 분출 중 하나는 지구를 직접 향했고, 처음으로 라디오파에서 감마선에 이르는 모든 파장에서 그러한 조석 붕괴 사건(TDE)을 관찰할 수 있었다. 이것은 왜 블랙홀이 이러한 항성 사망의 약 1%에서만 제트를 생성하는지에 대한 첫 번째 단서를 제공한다. 

▲ 멀리 떨어진 은하의 중앙 구멍에서 별이 파열되었을 때 플라즈마 제트를 생성하고 지구를 직접 가리키는 광선을 만들었다. © Carl Knox/ OzGrav, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Swinburne University of Technology

별이 거대한 블랙홀에 너무 가까워지면 거대한 중력의 조석력(tidal force)에 의해 찢어지고 가는 실로 "스파게티화"된다. 이러한 "Tidal Disruption Event"(TDE) 동안 항성 물질의 일부는 사건의 지평선 주위를 회전하는 강착 원반을 형성하고 점차 삼켜진다. 사례의 약 1%에서 쌍 제트(paired jets)도 형성된다. 극도로 가속된 플라즈마 다발과 우주 멀리까지 도달하는 고에너지 방사선이다.

그러나 이러한 강력한 제트가 조석 붕괴 사건의 일부 동안에만 발생하는 이유는 명확하지 않다. "우리는 지금까지 이러한 제트 TDE를 소수만 보았고 매우 이국적이고 잘 이해되지 않은 사건으로 남아 있다"고 Leicester 대학의 공동 저자인 Nial Tanvir는 설명했다. 이러한 유형의 마지막 사건은 2011년에 관측됐으나 복사 스펙트럼의 일부에서만 볼 수 있었다. 따라서 그러한 별의 죽음과 관련된 과정에 대한 정보를 거의 제공받지 못했다.

먼 은하계에서 갑작스런 섬광

특히 극단적이고 동시에 그러한 별의 죽음에 대한 유익한 사례로 인해 이제는 변경되었을 수 있다. 2022년 2월 11일 캘리포니아에 있는 Zwicky Transient Facility(ZTF)의 망원경으로 발견된 것이다. 이것은 메릴랜드 대학의 Igor Andreoni와 함께 일하는 천문학자들이 처음에 감마선 폭발을 의심했던 비정상적으로 밝고 갑작스러운 빛의 섬광을 감지했다.

이 방사선 폭발의 원인에 대해 자세히 알아보기 위해 천문학자들은 다른 천문대에 경보를 발령한 후 장파 라디오 방사선에서 적외선 및 가시광선, 단파장 X선 및 감마선. 빛 스펙트럼의 첫 번째 분석은 이 방사선의 근원이 우리로부터 약 85억 광년 떨어져 있음을 보여주었다. 

▲ 지금까지 기록된 모든 TDE(조수 붕괴 사건)의 약 1%에서만 제트기가 발생했다. © ESO/M. Kornmesser

탁월한 기능

그러나 이례적으로 "AT2022cmc의 X선, 전파 및 서브밀리미터 광선은 이 적색편이에서 관측된 것 중 가장 밝다"고 천문학자들은 보고했다. 감마선 폭발과는 달리 이러한 높은 수준의 방사선은 몇 주 동안 지속되었다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Dheeraj Pasham은 "이 사건은 알려진 가장 강력한 감마선 폭발 잔광보다 100배 더 강력했다"고 말했다. 또한 X-선의 강도는 점진적으로 지속적으로 감소하는 것이 아니라 몇 번이고 급격하게 변동했다.
또한 놀라운 것은 자외선과 가시광선의 발전이었다. 이것은 며칠 동안 크게 변동하다가, 약간 푸르스름한 스펙트럼을 가진 여전히 매우 밝은 고원에 도달했다. Andreoni와 그의 동료들은 "모든 파장에 걸쳐 매우 높은 광도와 빠른 스펙트럼 및 시간적 변화로 인해 AT2022cmc는 단명한 천문학적 사건의 급속하게 확장되는 '동물원'에 비추어 볼 때 매우 이례적인 사건이 되었다"고 말했다.

제트가 지구를 향하는 별의 죽음

이 모든 주목할만한 특징들로부터 천문학자들은 AT2022cmc가 멀리 떨어진 블랙홀의 풍부한 식사, 즉 조수 붕괴 사건으로 거슬러 올라간다고 결론지었다. "AT2022cmc는 너무 밝고 너무 오래 지속되어 초거대 블랙홀만큼 거대하다는 것을 알았다"고 Birmingham 대학의 공동 저자인 Benjamin Gompertz는 말했다. 블랙홀에서 태양 크기의 별일 가능성이 있는 것의 파열은 강력한 제트를 생성했으며 그 중 하나는 지구를 직접 겨냥했다.

이것이 의미하는 것은, 이 사건은 동반 제트와 함께 별이 파열되는 드문 경우 중 하나가 아니다. 85억 광년 떨어져 있는 이 사건은 지금까지 기록된 사건 중 가장 먼 거리에 있는 사건이기도 하다. "상대론적 제트가 우리를 겨냥하기 때문에 사건은 다른 경우보다 훨씬 밝고 더 넓은 범위의 전자기 스펙트럼에서 볼 수 있다"고 공동 저자인 덴마크 공과 대학의 Giorgos Leloudas는 설명했다.

빛의 99.9% 속도로

이 운 좋은 상황 덕분에 천문학자들은 처음으로 그러한 별의 죽음과 제트에 대한 자세한 내용을 알아낼 수 있었다. 파괴된 왜성 질량의 약 절반은 블랙홀 주변의 강착 원반에 갇혀 크게 가열되고 가속되었다.

난기류와 충격파는 에너지 입자와 복사의 두 극 제트를 형성했다. "우리 데이터에 따르면 제트의 속도는 빛의 속도의 99.9%이다"고 공동 저자인 MIT의 Matteo Lucchini는 말했다. 그러나 이를 위해 필요한 엄청난 가속의 원동력은 이전에 제트가 있는 TDE에 대해 가정한 것처럼 강한 자기장이 아니었다. AT2022cmc에서는 약하게 표시됐기 때문이다.

<Star Death AT2022cmc가 특별한 이유.© Dheeraj Pasham(MIT), Matteo Lucchini(MIT), Margaret Trippe>

블랙홀 회전이 결정적일까?

대신, 관측은 블랙홀의 회전이 플라즈마 및 방사선 다발 형성의 핵심임을 시사한다. 이에 따르면, 그러한 제트는 초거대질량 블랙홀이 그러한 별 파열에서 자체적으로 회전할 때마다 발생할 수 있다. 모든 블랙홀에 해당되는 것은 아니기 때문에 제트가 있는 TDE는 비교적 드물다. “우리는 앞으로 이러한 이벤트를 더 많이 볼 수 있을 것으로 기대한다. 그런 다음 우리는 블랙홀이 왜 그리고 어떻게 이러한 제트를 일으키는지 마침내 말할 수 있었다”고 Lucchini는 말했다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05465-8; Nature Astronomy, 2022; doi: 10.1038/s41550-022-01820-x)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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