중성자별과 블랙홀 사이 질량 격차 문제를 조명하는 물체가 감지됐다.

거대한 질량을 가진 별들은 죽을 때 블랙홀을 형성한다. 조금 덜 무거운 별들은 초신성 폭발이후 중성자 별이라 불리는 조밀한 죽은 별을 남긴다.

수십 년 동안 천문학자들은 중성자 별과 블랙홀 사이의 질량 차이에 의문을 가졌다. 중성자 별은 대체로 태양 질량의 2.5 배를 넘지 않으며 가장 가벼운 것으로 알려진 블랙홀은 태양 질량의 약 5배로 알려졌다.

미국 국립과학재단(NSF)의 레이저간섭계중력파천문대(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)와 유럽 Virgo 연구팀 과학자들은 새로운 연구에서 태양 질량 2.6배 물체를 발견했다고 발표했다.

이 물체는 2019년 8월 14일에 23개 태양 질량의 블랙홀과 합쳐지면서 LIGO와 Virgo에 의해 지구에서 감지 된 중력파로 발견됐다. 관련 연구 논문은 2020년 6월 23일(현지시각) ‘The Astrophysical Journal Letters‘에 실렸다.

2019년 8월, LIGO-Virgo 중력파 네트워크는 태양 23배 블랙홀과 태양 질량 2.6 배에 이르는 미스터리 물체의 합병을 목격했다. 과학자들은 이 물체가 중성자 별인지 블랙홀인지 알지 못하지만, 가장 무거운 중성자 별이나 가장 가벼운 블랙홀 기록일 수 있다. credit:LIGO / Caltech / MIT / R. Hurt (IPAC).

미국 노스웨스턴대(Northwestern University) 비키 카롤게라(Vicky Kalogera) 교수는 “우리는이 수수께끼를 풀기 위해 수십 년을 기다려 왔다. 우리는이 물체가 가장 무거운 중성자별인지, 가장 가벼운 것으로 알려진 블랙홀인지는 모르지만 어느 쪽이어도 기록을 깨뜨린다”고 말했다.

밀워키의 위스콘신대(University of Wisconsin) 공동 저자 겸 LIGO 과학협력 대변인인 페트릭 브레디(Patrick Brady)는 “이것은 과학자들이 중성자 별과 블랙홀에 대해 말하는 방식을 바꿀 것이다. 질량 격차는 실제로 존재하지 않을 수도 있지만 관측 능력의 한계로 인한 것일 수도 있다”고 설명했다.

이번 연구에서 GW190814로 명명된 우주 합병은 태양 질량의 약 25배에 달하는 블랙홀을 형성했다. 일부 병합된 질량은 중력파 형태의 에너지 폭발로 변환됐다. 새로 형성된 블랙홀은 지구에서 약 8억 광년 떨어져 있다. 두 물체가 합쳐지기 전과 비교해 질량이 9배 달라져 중력파 사건으로 알려진 가장 큰 질량비로 기록됐다.

이 그래픽은 전자기 관측(보라색), 중력파 관측(파란색)으로 측정된 블랙홀, 전자기 관측 (노란색)으로 측정 된 중성자 별, 중력파 (주황색)를 통해 감지되는 중성자 별을 통해 탐지 된 블랙홀 질량을 보여준다. GW190814는 블랙홀과 태양 질량의 2.6 배 미스테리 물체(중성자 별 또는 블랙홀) 합병을 그래픽 중간에 강조 표시된다. credit:LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller.

최근 보고된 또 다른 LIGO-Virgo 사건(GW190412)은 약 4:1의 질량 비율로 두 개의 블랙홀 사이에서 발생했다. 연구팀에 따르면 이것이 블랙홀과 중성자 별 합병일 수 있으며 이론적으로 기대되는 흥미로운 가능성이지만 아직 관측적으로 확인되지는 않았다.

태양 질량의 2.6 배에 달하는 것은 중성자 별의 최대 질량에 대한 기존 예측을 뛰어넘는 가장 가벼운 블랙홀 일 수 있다.

LIGO와 Virgo 연구팀이 이번 합병을 발견하자마자 천문학계에 긴급히 전파했다. 이 사건에서 발생된 광파(light waves)를 찾기 위해 수십 개의 지상 및 우주 망원경이 추적했지만, 어떤 신호도 포착하지 못했다.

지금까지 중력파 신호와 같은 빛의 대응물은 GW170817이라는 이벤트에서 한 번만 나타났다. 2017년 8월 LIGO-Virgo 네트워크에 의해 발견된 이 사건은 지구와 우주에 있는 수십 개의 망원경이 목격한 두 개의 중성자 별들 사이의 격렬한 충돌과 관련이 있었다.

중성자 별 충돌은 사방으로 물질이 흩어지면서 빛을 형성하고, 블랙홀 합병은 대부분의 상황에서 빛을 생성하지 않는 것으로 여겨졌다.

LIGO와 Virgo 과학자들에 따르면 2019년 8월 사건은 몇 가지 이유로 광 기반(light-based) 망원경으로 보이지 않았다. 첫째, 이 이벤트는 2017년에 합병된 것보다 6배 더 멀리 떨어져 있어 광 신호를 포착하기가 더 어려워졌다. 둘째, 충돌에 두 개의 블랙홀이 포함된 경우 빛을 내지 않았을 것다. 세 번째로, 만약 물체가 실제로 중성자 별이라면, 9배나 더 큰 블랙홀 파트너가 그것을 완전히 삼켰을 것이다.

블랙홀이 전체를 삼킨 중성자 별은 빛을 발산하지 않는다. 칼로 게라는 ” 팩맨이 작은 점을 먹는 것을 생각한다. 질량이 매우 비대칭일 때, 더 작은 중성자 별은 한 번에 삼켜질 수 있다”고 설명했다.

대상이 중성자 별인지 블랙홀인지 연구원들은 어떻게 알 수 있는가.

연구팀에 따르면 LIGO, Virgo 및 기타 망원경으로 향후 관측을 통해 유사한 물체를 포착해 질량 격차에 해당하는 케이스가 있는지 여부를 알 수 있다. 탐지기가 점점 더 민감해짐에 따라 더 많은 신호를 관찰할 수 있으며 우주의 중성자 별과 블랙홀의 수를 보다 정확히 파악할 수 있다.

*웨비나
이번 LIGO-Virgo 결과에 대한 심층적 분석과 최신 관찰 결과에 대한 다른 연구를 위해 연구팀은 과학 대중을위한 웹 세미나를 예정했다. LIGO-Virgo-KAGRA 웨비나 시리즈라고 불리는 이 시리즈는 중력파 네트워크의 결과를 심도있게 논의하는 일련의 웹 세미나 중 첫 번째다. 1시간짜리 줌 웨비나는 한국시간 6월 25일 오후11시(am7:00 PDT)에 열린다.

라이브 스트림 등록:

https://zoom.us/webinar/register/3315925939436/WN_rsJximZ8R36WqZnMH16IrA