중성자 별 시스템 거대 원반풍 2차원 매핑

천문학자들은 헤라클레스 X-1(Hercules X-1)에서 중성자별이 태양과 같은 별에서 물질을 끌어당기는 거대한 원반풍(disk winds)을 관찰했다.

이 중성자별의 강착원반(accretion disk)*은 회전하면서 흔들리는 점에서 독특하다. 이 흔들림을 이용하여 천문학자들은 회전하는 디스크의 다양한 관점을 포착하고 처음으로 원반풍 2차원 지도를 만들었다. 새 지도는 바람의 수직 모양과 구조, 속도(초속 약 수백 킬로미터)를 보여준다.

연구에서 밝힌 거대 원반풍은 초대형 블랙홀이 전체 은하를 어떻게 형성하는지에 대한 단서를 제공할 수 있다.

연구 주저자인 MIT Kavli연구소 박사후연구원 Peter Kosec은 “미래에 우리는 다양한 물체의 디스크 바람을 매핑하고 블랙홀의 질량 또는 그것이 강착하는 물질의 양과 같이 바람 속성이 어떻게 변하는지 결정할 수 있다. 그것은 블랙홀과 중성자 별이 우리 우주에 어떤 영향을 미치는지 결정하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구는 Nature Astronomy 저널에 발표됐다. 영국 케임브리지 Institute of Astronomy를 비롯한 여러 기관이 연구에 협력했다.

원반풍은 블랙홀이나 중성자별이 밀도가 낮은 물체에서 물질을 끌어당겨 방출하는 바람과 함께 백열 원반을 생성하는 시스템인 X선 바이너리에서 가장 자주 관찰됐다. 이러한 시스템에서 바람이 정확히 어떻게 발생하는지는 불분명하다. 일부 이론은 자기장이 디스크를 파쇄하고 물질의 일부를 바람처럼 외부로 방출할 수 있다고 제안한다. 다른 이들은 중성자별의 복사가 백열 돌풍으로 디스크 표면을 가열하고 증발시킬 수 있다고 가정한다.

바람의 기원에 대한 단서는 그 구조에서 추론할 수 있지만 원반풍의 모양과 범위는 해결하기 어려웠다. 대부분의 바이너리는 단일 평면에서 회전하는 얇은 가스 도넛과 같이 모양이 비교적 균일한 강착원반을 생성한다. 멀리 떨어져 있는 위성이나 망원경에서 이 원반을 연구하는 천문학자들은 회전하는 원반에 비해 고정되고 좁은 범위 내에서만 원반풍 영향을 관찰할 수 있다. 이는 더 큰 구조의 작은 조각에 불과하다.

2020년 연구팀이 관찰한 Hercules X-1은 시스템의 중심 중성자 별 주위를 회전하면서 흔들리는 뒤틀린 강착 원반으로 인해 가장 잘 알려진 X선 쌍성에서 두드러졌다.

Kosec은 “원반은 35일마다 시간이 지남에 따라 실제로 흔들리고 바람은 원반의 어딘가에서 시작되어 시간이 지남에 따라 원반 위의 다른 높이에서 우리의 시야를 가로지른다. 그것은 우리가 그것의 수직 바람 속성을 더 잘 이해할 수 있게 해주는 이 시스템의 매우 독특한 속성”이라고 설명했다.

새로운 연구에서 연구원들은 유럽 우주국의 XMM Newton과 NASA 찬드라 천문대의 두 개의 X선 망원경으로 Hercules X-1을 관찰했다.

Kosec은 “우리가 측정하는 것은 X선 스펙트럼으로, 이는 검출기에 도달하는 X선 광자의 양과 그 에너지를 의미한다. 우리는 흡수선 또는 매우 특정한 에너지에서 X선 빛의 부족을 측정한다. 서로 다른 라인이 얼마나 강한지의 비율로부터 디스크 바람 내의 온도, 속도 및 플라즈마 양을 결정할 수 있다”고 말했다.

Hercules X-1의 뒤틀린 원반을 사용하여 천문학자들은 원반이 흔들리고 회전할 때 위아래로 움직이는 선을 볼 수 있었다. 그 효과는 연구원들이 균일하게 회전하는 디스크 위의 단일 고정 높이가 아니라 디스크와 관련하여 변화하는 높이에서 디스크 바람의 징후를 관찰할 수 있는 정도였다.

연구자들은 디스크가 흔들리고 시간이 지남에 따라 회전할 때 X선 방출과 흡수선을 측정함으로써 디스크에 대한 다양한 높이에서 바람의 온도와 밀도와 같은 특성을 스캔하고 바람의 2차원 지도를 구성할 수 있었다.

연구팀은 어떤 것이 바람의 기원을 가장 잘 설명할 수 있는지 알아보기 위해 다양한 바람 발사 메커니즘의 이론적 시뮬레이션과 관찰 결과를 비교할 계획이다. 더 나아가 그들은 더 뒤틀리고 흔들리는 시스템을 발견하고 디스크 바람 구조를 매핑하기를 희망한다.

*강착원반은 근처의 별에서 물질을 끌어당길 때 블랙홀이나 솜사탕 같은 중성자별 주위에 모이는 거대한 가스와 먼지의 소용돌이를 의미한다.