별이 블랙홀과 충돌 후 핵이 붕괴되는장면 첫 관찰

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-03 22:28:52
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* 블랙홀이나 중성자별의 경우, 조석력이 핵을 찢고 합병과 관련된 폭발을 일으킨다.
* 약 4억 8천만 광년 떨어진 은하의 외부 영역에서 이러한 유형의 초신성을 처음으로 감지
* 약 300년 전 블랙홀은 파트너 별의 대기로 진입해 가스를 우주로 던지기 시작
* 이 폭발로 인해 2014년에 등록된 X선 폭발이 발생

충돌하는 초신성에 대한 첫 번째 증거
블랙홀 또는 중성자별은 파트너 별을 형성할 때 핵붕괴를 일으킨다.


블랙홀이 별의 핵을 잡아먹는다:
천문학자들은 이전에 이론적으로만 가정된 유형의 초신성, 즉 별이 블랙홀이나 중성자별과의 충돌 후 별의 핵이 붕괴되는 것을 처음으로 관찰했다. 이 무거운 것이 별의 핵에 도달하면 핵융합을 방해하고 조기 핵붕괴-초신성을 촉발한다. 연구원들은 최근 그러한 사건의 방사선 사인을 처음으로 발견했다. 

▲ 이전에 중성자별이나 블랙홀과의 접촉을 통해 분출된 가스 봉투 중앙에 있는 별의 폭발(그림).

© Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF


일반적으로 거대한 별은 자신의 핵융합 연료가 고갈되면 폭발한다.
핵에서 핵융합으로 생성된 복사압은 별의 엄청난 중력을 상쇄하기에 충분하지 않아 핵은 붕괴한다. 그리고 초신성이 뒤따른다. 남은 것은 중성자별이나 블랙홀뿐이다. 별이 이전에 쌍성계의 일부였다면 파트너 별은 거대한 별 잔해 주위의 궤도에 남아 있다.

별 유물과 별의 죽음의 댄스

천체 물리학자들은 이 조합이 가까운 쌍성계에 남아 있는 별의 조기 종말을 초래할 수 있다고 오랫동안 가정해 왔다. 블랙홀이나 중성자별의 중력이 크기 때문에 충돌이 발생할 때까지 둘은 서로 더 가깝게 공전한다.

첫째, 물질은 별의 껍질에서 우주로 방출되고 둘 모두 주위에 거대한 가스 고리를 형성한다.

그러나 블랙홀이나 중성자별은 바로 별의 핵 속으로 가라앉아 종말을 맞는다.
"충돌 파트너가 다른 별이라면 이것은 핵의 연료 공급이 되어 젊어지고 훨씬 더 무거운 핵을 채우는 결과가 될 것이다"고 캘리포니아 공과 대학의 딜론 동(Dillon Dong)과 동료들은 설명한다. "그러나 블랙홀이나 중성자별의 경우, 조석력이 핵을 찢고 합병과 관련된 폭발을 일으킨다.“

별의 핵 내부의 핵융합이 중단되기 때문에, 이것은 별의 조기 핵붕괴 초신성을 촉발한다.
이 특별한 유형의 충돌을 유발하는 핵붕괴 초신성은 지금까지 이론적으로 가정됐으나 우주에서 관찰된 적은 없다.

증거로 라디오 소스 및 X-선 플래시

최근 Dong과 그의 팀은 우리로부터 약 4억 8천만 광년 떨어진 은하의 외부 영역에서 이러한 유형의 초신성을 처음으로 감지했다. 이에 대한 첫 번째 징후는 뉴멕시코에 있는 초대형 배열 (Very Large Array)의 전파 망원경으로 하늘을 조사한 이미지에서 제공되었다.
2017년 이후의 데이터는 2005년까지의 이전 조사에는 없었던 강력한 라디오 소스를 보여주었다.

▲ 충돌 초신성의 과정: 질량이 큰 별과 블랙홀 또는

중성자별은 서로 더 가깝게 공전한다. 블랙홀은 

별의 껍질에 도달하여 물질을 우주로 던진다. 

별의 핵으로 가라앉자마자 핵이 붕괴되고 X선 

제트가 초신성을 나타낸다. 몇 년 후, 폭발 충격파는 

이전에 분출된 가스에 도달한다. 

© 빌 색스턴, NRAO / AUI / NSF


두 번째 단서는 2014년 8월 14일 국제 우주 정거장 ISS에 탑재된 MAXI 기기에 의해 포착된 짧은 감마선 폭발에 의해 제공됐다. 그의 기원 장소는 VT 1210 + 4956 로 명명된 라디오 소스가 있던 곳이었고, 약한 X선, 고강도 및 짧은 지속 시간의 비정상적인 조합을 보여주었다.

알려진 사건과 일치하지 않는다.

"이 조합은 알려진 일시적인 X선 현상과 유사하지 않다"고 천문학자들은 보고했다. Dong과 그의 팀이 설명하는 것처럼 고전적인 초신성의 경우 광도가 천 배 더 낮아 약한 감마선 폭발은 10배 더 오래 지속된다.

하지만 그때는 무엇이었을까?
하와이에 있는 켁 천문대(Keck Observatory)의 초거대배열(Very Large Array)과 망원경으로 자세히 관찰한 결과 짧은 X선 섬광이 항성 폭발 제트에 의해 발생한 것임이 틀림없다는 사실이 밝혀졌다. 반면에 전파는 폭발 충격파가 폭발 현장 주변의 촘촘한 가스 고리에 부딪힐 때 생성되었다.

충돌 초신성은 설명을 제공한다.

천문학자들의 의견으로는 이 모든 것이 VT 1210 + 4956이 충돌에 의해 유발된 초신성의 오랫동안 추구해 온 사례가 틀림없다는 것을 암시한다. 이에 따르면 4억 8000만 광년 떨어진 이 쌍성계에서 파트너 중 하나가 정상적인 핵붕괴 초신성에서 먼저 폭발했다. 거리가 멀기 때문에 중성자별이나 블랙홀의 형태로 형성된 나머지는 나머지 별과 함께 죽음의 춤을 추기 시작했다. 둘 다 점점 가까워졌다.

약 300년 전 블랙홀은 파트너 별의 대기로 진입해 가스를 우주로 던지기 시작했다.
그런 다음 두 파트너의 나선 경로가 끝에 도달했다. 블랙홀 또는 중성자별이 별의 핵으로 가라앉아 초신성을 촉발했다. 이 폭발로 인해 2014년에 등록된 X선 폭발이 발생했다. "파트너 별은 어쨌든 어느 시점에서 폭발했을 것이다. 이 충돌은 그 과정을 가속화했다"고 Dong은 말했다.

"모든 퍼즐 조각이 완벽하게 맞는다“

동 교수는 “이론가들은 이런 일이 있을 거라고 예상했지만 이런 현상은 처음 본다”고 말했다. 그의 동료인 그렉 할리맨(Greg Halliman)은 다음과 같이 덧붙였다. "모든 퍼즐 조각이 완벽하게 맞물려 이 놀라운 이야기를 들려준다. 오래전에 폭발한 별의 유물이 동반자에게 떨어져 폭발하게 된 것이다.“
(Science, 2021; doi) : 10.1126 / 과학 .abg6037)
출처: National Radio Astronomy Observatory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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