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- 두 개의 중성자별 충돌하면 중력파와 감마선의 형태로 엄청난 양의 에너지 방출
- 짧은 감마선 폭발은 길이가 2초도 안돼, 은하계의 모든 별을 합친 양의 복사 에너지 방출
- 메가 중상지별은 합병 후 블랙홀로 붕괴되기 전에 약 10~300밀리초 동안만 존재
- 2030년대까지 중력파 탐지기는 중성자별 충돌의 시공간 진동에서 메가 중성자별의 미묘한 진동을 더 예민하게 탐지할 수 있을 듯

메가 중성자별의 첫 징후
병합된 중성자별이 블랙홀로 붕괴되기 전에 수명이 짧은 거대 형태

일시적인 거인:
천문학자들이 중성자별 충돌의 일시적인 중간 단계인 메가 중성자별의 증거를 처음으로 발견했을 수 있다. 이전에는 이론상으로만 가정되었던 이 거인들은 불과 몇 밀리 초 후에 블랙홀로 붕괴된다. 이제 감마선 폭발의 숨길 수 없는 진동이 그 존재에 대한 첫 번째 힌트를 제공하고 있다. 이것은 이러한 합병에서 무슨 일이 일어나는지 설명할 수 있는 새로운 기회를 열어준다고 팀은 Nature에 보고했다. 

두 개의 중성자별이 충돌하면 중력파와 가장 자주 감마선의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출한다. 이 짧은 감마선 폭발은 길이가 2초도 안 되지만 은하계의 모든 별을 합친 것과 같은 양의 복사 에너지를 방출할 수 있다. "우리는 중성자별이 충돌할 때 짧은 감마선 폭발이 발생한다는 것을 알고 있으며, 결국 전체가 블랙홀로 붕괴된다는 것도 알고 있다"고 메릴랜드 대학의 Coleman Miller는 말했다.

중간 단계로서의 메가 중성자별

블랙홀은 어떻게 형성될까? 그리고 병합된 중성자별과 함께 그 전에 무슨 일이 일어날까?
지금까지 이것은 불분명하다. 그러나 모델은 병합하는 중성자별이 직접적으로 블랙홀이 되는 것이 아니라 수명이 짧은 메가 중성자별을 먼저 형성한다고 제안한다. "합병 후 블랙홀로 붕괴되기 전에 약 10~300밀리초 동안만 존재한다"고 Miller와 그의 동료들은 설명했다.

이론에 따르면 수명이 짧은 메가 중성자별은 일반 "동종성" 크기의 거의 두 배이며 질량은 중성자별의 최대 한계보다 20% 더 높다. 그것들은 분당 거의 78,000 회전으로 매우 빠르게 회전하기 때문에 존재할 수 밖에 없다. 그렇게 해서 생성된 원심력은 천문학자들이 설명하는 것처럼 이러한 우주 거인의 피할 수 없는 중력 붕괴를 지연시킨다.

▲ ▲ 중성자 별이 충돌하면 블랙홀로 붕괴되기 전에 메가 중성자 별이 형성될 수 있다. © NASA/GSFC, STAG 연구 센터/Peter Hammond

미묘한 진동 검색

그러나 문제는 천문학자들이 중성자별 충돌이 실제로 일시적인 거대 중성자별을 생성하는지 여부를 아직 증명하지 못했다는 것이다. 중력파와 플레어에 의해 감지된 몇 안 되는 충돌은 직접적인 증거를 제공하기에는 너무 멀었다. 메가 중성자별은 갑작스러운 주파수 점프와 특수한 진동을 통해 중력파에 자신을 노출시켜야 하지만 현재의 탐지기는 이를 위해 충분히 강력하지 않다.

Miller와 그의 동료 Cecilia Cilenti가 이끄는 팀은 따라서 감마선에서 유사한 신호를 찾았다. 그들이 설명하듯이, 중성자별이 합쳐지는 동안의 변환 과정은 또한 이러한 고에너지의 짧은 복사 펄스에서 준주기적 진동의 형태로 신호를 남겨야 한다. 이를 위해 천문학자들은 3개의 감마선 관측소에서 기록한 700개의 짧은 감마선 폭발 데이터를 검색했다.

2개의 잠재적인 신호 감지됨

실제로 팀은 1991년 7월과 1993년 11월에 숨길 수 없는 진동을 나타내는 두 가지 사건을 발견했다. GRB 910711 및 GRB 931101B라고 불리는 이 폭발은 2000년에 은퇴한 Compton 감마선 망원경에 의해 감지되었다.

천문학자들은 "이 망원경의 BATSE 장비에서 나온 신호는 다른 최신 관측소보다 더 큰 탐지기를 가지고 있었기 때문에 놀라운 일이 아니다"며 "이로 인해 변조 감지가 더 잘 되었다"고 천문학자들은 설명했다.

Cilenti와 그녀의 동료들은 더 자세한 분석을 통해 두 방사선 폭발이 약 1,000Hz와 2,600Hz에서 강도 피크가 있는 유사한 구조를 가지고 있음을 보여주었다. 광도 곡선은 또한 수명이 짧은 메가 중성자별과 일치하는 준주기 진동을 보여준다. 안타깝게도 데이터는 개체의 크기, 질량 및 수명에 대해 더 많은 정보를 제공할 만큼 정확하지 않았다.

▲ ▲ 중성자별이 합쳐진 직후에 무슨 일이 일어날까? © NASA/GSFC, STAG 연구 센터/Peter Hammond

새로운 통찰력을 위한 첫 걸음

그럼에도 불구하고 다른 천문학자들도 이러한 결과를 유망한 첫 번째 단계로 보고 있다. 첨부된 의견에서 연구에 참여했습니다. "우주의 가장 극단적인 영역에 대한 물리학 지식을 확장할 수 있기 때문입니다.“

2030년대까지 중력파 탐지기는 중성자별 충돌의 시공간 진동에서 메가 중성자별의 미묘한 진동을 탐지할 수 있을 만큼 충분히 민감해질 수 있을 것이다. 그때까지는 감마선 폭발이 감마선 폭발을 감지할 수 있는 유일한 방법으로 남아 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05497-0)
출처: NASA/ Goddard Space Flight Center

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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