물리학자들이 첫 번째 '블랙홀 트리플' 발견
지금까지 발견된 많은 블랙홀은 한 쌍의 일부인 것으로 보인다. 이러한 이중 시스템은 블랙홀과 별, 훨씬 더 밀도가 높은 중성자별 또는 다른 블랙홀과 같은 2차 물체로 구성되어 있으며, 블랙홀의 중력에 의해 서로 끌려가면서 긴밀한 궤도 쌍을 형성합니다.
이제 놀라운 발견은 블랙홀의 그림, 블랙홀이 수용할 수 있는 천체, 그리고 블랙홀이 형성되는 방식을 확장하는 것입니다.
Nature 에 게재된 한 연구에서 MIT와 Caltech의 물리학자들은 처음으로 "블랙홀 트리플"을 관찰했다고 보고했습니다. 이 새로운 시스템은 블랙홀과 매우 가까이서 나선을 그리며 돌고 있는 작은 별을 삼키는 중앙 블랙홀을 6.5일마다 보유하고 있습니다. 이는 대부분의 이중 시스템과 유사한 구성입니다. 하지만 놀랍게도 두 번째 별이 블랙홀을 돌고 있는 것으로 보이지만, 훨씬 더 먼 거리에 있습니다. 물리학자들은 이 멀리 떨어진 동반성이 70,000년마다 블랙홀을 공전하고 있다고 추정합니다.
블랙홀이 그렇게 멀리 떨어진 물체에 중력을 가하는 것처럼 보이는 것은 블랙홀 자체의 기원에 대한 의문을 제기하고 있습니다. 블랙홀은 죽어가는 별의 격렬한 폭발로 형성된다고 생각됩니다. 이 과정은 초신성으로 알려져 있으며, 별이 마지막 폭발로 엄청난 양의 에너지와 빛을 방출한 후 보이지 않는 블랙홀로 붕괴됩니다.
하지만 이 팀의 발견은 새로 관찰된 블랙홀이 전형적인 초신성에서 비롯된 것이라면 붕괴되기 전에 방출했을 에너지가 외곽에 느슨하게 묶인 물체를 모두 걷어차 버렸을 것이라는 것을 시사합니다. 그렇다면 두 번째, 바깥쪽 별은 여전히 주변에 머물러 있어서는 안 됩니다.
대신, 팀은 블랙홀이 더 온화한 "직접 붕괴" 과정을 통해 형성되었을 것으로 의심합니다. 즉, 별이 단순히 스스로 무너져 마지막 극적인 섬광 없이 블랙홀을 형성하는 것입니다. 그런 온화한 기원은 느슨하게 결합된 먼 물체를 거의 방해하지 않을 것입니다.
새로운 삼중계는 매우 멀리 떨어진 별을 포함하고 있기 때문에, 이는 이 계의 블랙홀이 더 부드럽고 직접적인 붕괴를 통해 태어났음을 시사합니다. 그리고 천문학자들은 수세기 동안 더 격렬한 초신성을 관찰해 왔지만, 연구팀은 새로운 삼중계가 이 더 부드러운 과정에서 형성된 블랙홀의 첫 번째 증거일 수 있다고 말합니다.
"우리는 대부분의 블랙홀이 별의 격렬한 폭발로 형성된다고 생각하지만, 이번 발견은 그것에 의문을 제기하는 데 도움이 됩니다." MIT 물리학과의 Pappalardo 펠로우이자 연구 저자인 케빈 버지가 말했습니다. "이 시스템은 블랙홀 진화에 매우 흥미진진하며, 또한 더 많은 트리플이 있는지에 대한 의문을 제기합니다."
이 연구의 공동 저자는 MIT의 에린 카라, 클로드 카니사레스, 디프토 차크라바티, 안나 프레벨, 사라 밀홀랜드, 사울 라파포트, 롭 심코, 앤드류 반더버그와 Caltech의 카림 엘바드리입니다.
탠덤 모션
블랙홀 트리플의 발견은 거의 우연히 이루어졌습니다. 물리학자들은 우주와 전 세계의 망원경에서 수집된 천문 관측 자료의 저장소인 Aladin Lite를 살펴보던 중 이를 발견했습니다. 천문학자들은 온라인 도구를 사용하여 다양한 파장의 에너지와 빛에 맞춰 조정된 여러 망원경으로 촬영한 하늘의 같은 부분의 이미지를 검색할 수 있습니다.
이 팀은 은하수에서 새로운 블랙홀의 징후를 찾고 있었습니다. 호기심에 버지는 1992년에 지구에서 약 8,000광년 떨어진 블랙홀인 V404 Cygni의 이미지를 검토했습니다. 이 블랙홀은 블랙홀로 확인된 최초의 천체 중 하나였습니다. 그 이후로 V404 Cygni는 가장 잘 연구된 블랙홀 중 하나가 되었고 1,300개가 넘는 과학 논문에 기록되었습니다. 그러나 그 연구 중 어느 것도 버지와 그의 동료들이 관찰한 내용을 보고하지 않았습니다.
버지는 V404 Cygni의 광학 이미지를 보면서 놀랍게도 서로 가까이 있는 두 개의 빛 덩어리를 보았습니다. 첫 번째 덩어리는 다른 사람들이 블랙홀과 내부에서 가까이 공전하는 별로 판단했습니다. 별은 너무 가까워서 블랙홀에 물질 일부를 흘려보내 버지가 볼 수 있는 빛을 발산하고 있습니다. 그러나 두 번째 빛 덩어리는 과학자들이 지금까지 자세히 조사하지 않은 것이었습니다. 버지는 두 번째 빛이 아주 멀리 떨어진 별에서 온 것일 가능성이 높다고 판단했습니다.
"이렇게 먼 거리에서 두 개의 별을 볼 수 있다는 사실은 실제로 별들이 정말 아주 멀리 떨어져 있어야 한다는 것을 의미합니다." 버지가 말했는데, 그는 바깥쪽 별이 블랙홀에서 3,500 천문 단위(AU) 떨어져 있다고 계산했습니다(1 AU는 지구와 태양 사이의 거리입니다). 다시 말해, 바깥쪽 별은 블랙홀에서 지구와 태양 사이의 거리의 3,500배 떨어져 있습니다. 이는 또한 명왕성과 태양 사이의 거리의 100배와 같습니다.
그때 떠오른 질문은 외별이 블랙홀과 내별과 연결되어 있는지 여부였습니다. 이에 대한 답을 찾기 위해 연구원들은 2014년부터 은하계의 모든 별의 움직임을 정확하게 추적한 위성인 가이아를 살펴보았습니다. 연구팀은 지난 10년간 가이아 데이터의 내별과 외별의 움직임을 분석한 결과, 별들이 다른 주변 별과 비교했을 때 정확히 나란히 움직였다는 것을 발견했습니다. 그들은 이런 종류의 탠덤 운동의 확률이 약 1,000만 분의 1이라고 계산했습니다.
"우연이나 사고는 거의 확실하지 않습니다." 버지가 말했다. "우리는 약한 중력의 끈으로 연결되어 있기 때문에 서로를 따라가는 두 개의 별을 보고 있습니다. 그러니 이것은 삼중계여야 합니다."
줄을 당기다
그렇다면 이 시스템은 어떻게 형성되었을까? 블랙홀이 전형적인 초신성에서 생겨났다면, 격렬한 폭발로 인해 오래 전에 외별이 걷어차였을 것입니다.
"연을 당기고 있다고 상상해보세요. 튼튼한 끈 대신 거미줄로 당기고 있는 거예요." 버지가 말했다. "너무 세게 당기면 거미줄이 끊어지고 연을 잃게 될 거예요. 중력은 정말 약한 거의 묶이지 않은 끈과 같고, 내부 이중성에 극적인 일을 저지르면 외부 별을 잃게 될 거예요."
그러나 이 아이디어를 실제로 시험하기 위해 버지는 그러한 삼중 시스템이 어떻게 진화하여 바깥쪽 별을 유지할 수 있었는지 알아보기 위해 시뮬레이션을 수행했습니다.
각 시뮬레이션을 시작할 때 그는 세 개의 별(세 번째는 블랙홀이 되기 전의 블랙홀)을 도입했습니다. 그런 다음 그는 수만 개의 시뮬레이션을 실행했는데, 각각 세 번째 별이 어떻게 블랙홀이 되었고, 그 후 다른 두 별의 움직임에 영향을 미쳤는지에 대한 약간 다른 시나리오가 있었습니다. 예를 들어, 그는 초신성을 시뮬레이션하여 방출하는 에너지의 양과 방향을 변경했습니다. 그는 또한 세 번째 별이 에너지를 방출하지 않고 단순히 스스로 붕괴하여 블랙홀을 형성하는 직접 붕괴 시나리오를 시뮬레이션했습니다.
버지는 "대부분의 시뮬레이션은 이 삼중 작용을 이루는 가장 쉬운 방법은 직접 붕괴를 통해서라는 것을 보여줍니다."라고 말합니다.
블랙홀의 기원에 대한 단서를 제공하는 것 외에도, 외측 별은 또한 시스템의 나이를 드러냈습니다. 물리학자들은 외측 별이 적색 거성이 되는 과정에 있다는 것을 관찰했습니다. 적색 거성은 별의 수명이 다할 때 발생하는 단계입니다. 이 별의 전이를 바탕으로, 연구팀은 외측 별의 나이가 약 40억 년이라고 결정했습니다. 주변 별들이 거의 같은 시기에 태어났다는 점을 감안할 때, 연구팀은 블랙홀 삼중성도 40억 년 된 것이라고 결론 내렸습니다.
"우리는 오래된 블랙홀에 대해 이전에 이런 일을 한 적이 없습니다." 버지가 말했다. "이제 V404 Cygni가 삼중체의 일부라는 것을 알게 되었고, 직접적인 붕괴로 형성되었을 수 있으며, 이 발견 덕분에 약 40억 년 전에 형성되었습니다."
이 연구는 부분적으로 국가과학재단의 지원을 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241023130914.htm
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