블랙홀 폭발은 태양의 10조배보다 밝다

이 시나리오는 새로운 연구 결과를 가장 잘 설명합니다. 자연 천문학 초대질량 블랙홀에서 볼 수 있는 가장 강력하고 가장 멀리 떨어진 에너지 플레어를 설명하는 연구입니다. 이 물체는 미국 국립과학재단(NSF)이 자금을 지원하고 캘리포니아 공과대학 팔로마 천문대에서 운영되는 하늘 조사인 Zwicky Transient Facility(ZTF)에 의해 2018년에 처음 발견되었습니다. 이는 또한 NSF가 자금을 지원하는 또 다른 Caltech 프로젝트인 Catalina Real-Time Transient Survey에 의해 추적되었습니다. 플레어는 몇 달 만에 40배나 극적으로 밝아졌으며 최고조에 달했을 때 이전에 관찰된 블랙홀 플레어보다 30배 더 밝았습니다. 최대 강도에서는 10조 개의 태양의 빛으로 빛났다.

초기 우주에 대한 간략한 소개

원인이 되는 블랙홀은 주변 물질을 적극적으로 섭취하는 블랙홀의 일종인 활성은하핵(AGN)입니다. J2245+3743으로 알려진 이 AGN은 태양보다 질량이 5억 배 더 크고 지구에서 약 100억 광년 떨어진 곳에 있는 것으로 추정됩니다. 빛이 이렇게 광대한 거리를 이동하는 데는 시간이 걸리기 때문에 천문학자들은 이 사건을 우주가 아직 젊었을 때 발생한 사건으로 보고 있습니다.

“에너지학은 이 물체가 매우 멀리 떨어져 있고 매우 밝다는 것을 보여줍니다”라고 Caltech의 천문학 연구 교수이자 ZTF의 프로젝트 과학자인 연구 주저자 Matthew Graham은 말합니다. “이것은 우리가 본 어떤 AGN과도 다릅니다.”

플레어가 점차 사라지고 있지만 천문학자들은 이를 계속해서 관찰하고 있습니다. 이러한 거리에서는 시간 자체가 다르게 흐릅니다. 이는 우주론적 시간 팽창이라고 알려진 현상입니다. Graham이 설명하는 것처럼 “빛이 우리에게 도달하기 위해 팽창하는 공간을 가로질러 이동함에 따라 시간 자체와 마찬가지로 파장도 늘어납니다.” 이 때문에 ZTF, Catalina 등 장기적인 하늘 조사가 중요합니다. “여기서 7년이 저기서 2년입니다. 우리는 이벤트가 1/4 속도로 재생되는 것을 지켜보고 있습니다”라고 그는 덧붙였습니다.

찢겨진 별

이 엄청난 폭발의 원인이 무엇인지 밝혀내기 위해 연구자들은 다양한 가능성을 테스트하고 가장 가능성이 높은 원인이 조수 붕괴 사건(TDE)일 것이라고 판단했습니다. TDE는 별이 초대질량 블랙홀에 너무 가까이 접근하여 엄청난 중력에 의해 찢어질 때 발생합니다. 별의 물질은 점차적으로 흡수되어 소모됩니다. J2245+3743의 플레어가 여전히 보이기 때문에 천문학자들은 블랙홀이 식사 중간에 있다고 믿습니다. “고래의 식도 절반쯤에 있는 물고기처럼” Graham은 말합니다.

이 설명이 옳다면, 운명의 별은 태양보다 질량이 적어도 30배는 더 컸을 것입니다. 무서운 바비(Scary Barbie)라는 별명을 가진 사건으로 알려진 가장 큰 TDE의 이전 기록 보유자는 약 30배 더 약했고 태양 질량의 3~10배에 불과한 별을 포함했습니다.

블랙홀 원반 내부의 희귀한 사건

대략 100개의 알려진 TDE 중 대부분은 AGN 시스템 내에서 발생하지 않았습니다. AGN 시스템은 이미 중앙 블랙홀에 공급되는 조밀하고 소용돌이치는 물질 디스크로 둘러싸여 있습니다. 이러한 밝은 환경은 일반적으로 다른 이벤트를 숨겨 TDE를 감지하기 어렵게 만듭니다. 하지만 J2245+3743의 순전한 밝기로 인해 선명하게 눈에 띄었습니다.

처음에 천문학자들은 특이한 점을 발견하지 못했습니다. 2018년 이 물체가 처음 확인되었을 당시 팔로마 천문대의 200인치 헤일 망원경으로 얻은 스펙트럼에는 특별한 특징이 나타나지 않았습니다. 그러나 2023년에는 플레어가 예상보다 천천히 사라지고 있었습니다. 하와이에 있는 WM Keck 천문대의 후속 스펙트럼은 AGN의 극도의 광도를 보여주었습니다.

지금까지 기록된 가장 밝은 플레어 확인

“처음에는 이 극한 물체가 실제로 이렇게 밝았다는 것을 입증하는 것이 중요했습니다”라고 뉴욕 시립 대학(CUNY) 대학원 센터, 맨해튼 커뮤니티 칼리지 자치구 및 미국 자연사 박물관(AMNH)의 공동 저자인 KE Saavik Ford는 말합니다. Ford는 한 가지 대안은 플레어의 빛이 지구를 향해 직접 발사되는 것이지만 NASA의 이전 WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer) 임무 데이터에서는 이를 배제했다고 설명합니다. 다른 가능성을 제거한 후 팀은 J2245+3743이 지금까지 관측된 블랙홀 플레어 중 가장 밝은 블랙홀 플레어라고 결론지었습니다.

“알베르트 아인슈타인의 유명한 공식 E = mc2를 사용하여 태양 전체를 에너지로 변환하면, 이는 우리가 관측을 시작한 이후 이 플레어에서 쏟아져 나온 에너지의 양입니다.”라고 Ford는 말합니다.

초신성에 의한 별의 파괴

플레어의 기록적인 강도를 확인한 후 연구원들은 그 기원을 조사했습니다. “초신성은 이것을 설명할 만큼 충분히 밝지 않습니다”라고 Ford는 말합니다. 가장 일관된 설명은 초대질량 블랙홀이 거대한 별을 천천히 찢어낸다는 것입니다.

Ford는 계속해서 “이렇게 큰 별은 드물지만 AGN 디스크 내의 별은 더 커질 수 있다고 생각합니다. 디스크의 물질이 별에 버려져 질량이 커지게 됩니다.”라고 Ford는 말합니다.

더 많은 우주 거인을 찾아서

이렇게 거대한 별을 집어삼키는 블랙홀을 발견한 것은 비슷한 사건이 우주의 다른 곳에서도 일어날 수 있음을 시사합니다. 연구팀은 다른 사례를 찾기 위해 더 많은 ZTF 데이터를 검색할 계획이며, NSF 및 에너지부의 Vera C. Rubin 관측소와 같은 향후 관측소에서는 추가로 큰 TDE를 발견할 수도 있습니다.

Graham은 “ZTF가 아니었다면 애초에 이 희귀한 사건을 발견하지 못했을 것”이라고 말했습니다. “우리는 7년 동안 ZTF로 하늘을 관찰해왔기 때문에 무언가 불타오르거나 변화하는 것을 보면 그것이 과거에 무엇을 했는지, 어떻게 진화할 것인지 알 수 있습니다.”

발견 뒤에 숨은 팀

“초거대 블랙홀에서 기록된 극도로 빛나는 플레어”라는 제목의 이 연구는 NSF, 시몬스 재단, NASA 및 독일 연구 재단의 지원을 받았습니다. 공동 저자로는 Caltech 연구원 Andrew Drake, Yuanze Ding(MS ’25), Mansi Kasliwal(PhD ’11), Sam Rose, Jean Somalwar(현재 UC Berkeley의 박사후 연구원), George Djorgovski, Shri Kulkarni 및 Ashish Mahabal이 있습니다. Caltech IPAC 천문학 센터의 Tracy Chen과 Steven Groom; NASA 제트추진연구소(Caltech 관리)의 Daniel Stern. 추가 기여자에는 Barry McKernan(CUNY 대학원 센터, Manhattan Community College 자치구 및 AMNH); Matteo Cantiello(Flatiron 연구소 및 프린스턴 대학교); 마이크 코스(Eureka Scientific); Raffaella Margutti(UC 버클리); Phil Wiseman(영국 사우샘프턴 대학교); Patrik Veres(독일 루르대학교); 및 Eric Bellm(워싱턴 대학교).

Caltech의 ZTF는 Heising-Simons Foundation 및 Caltech의 추가 지원과 함께 NSF 및 국제 파트너의 자금을 지원받습니다. 데이터는 Caltech의 IPAC에 의해 처리 및 보관되며 NASA는 Near-Earth Object Observations 프로그램을 통해 ZTF의 지구 근처 개체 검색에 자금을 지원합니다.