중성자별의 이상한 바람이 우주 물리학을 다시 쓰다

2024년 2월 25일 XRISM은 Resolve 장비를 사용하여 한때 더 큰 별의 작은 잔해인 중성자별 GX13+1을 관찰했습니다. GX13+1은 과열된 물질로 이루어진 강착원반이 안쪽으로 나선을 그리며 별 표면을 때리는 X선에서 밝게 빛납니다.

이러한 내부 흐름은 주변 공간을 변경하는 강력한 유출을 일으킬 수도 있습니다. 이러한 유출이 어떻게 발생하는지 아직 조사 중이므로 팀이 GX13+1을 목표로 삼았습니다.

Resolve는 개별 X선 광자의 에너지를 정확하게 측정할 수 있으므로 과학자들은 이전에 캡처된 적이 없는 세밀한 세부 사항을 볼 수 있을 것으로 예상했습니다.

ESA XRISM 프로젝트 과학자인 Matteo Guainazzi는 “데이터의 풍부한 세부정보를 처음 봤을 때 판도를 바꾸는 결과를 목격하고 있다고 느꼈습니다.”라고 말했습니다. “우리 중 많은 사람들에게 그것은 수십 년 동안 쫓아온 꿈의 실현이었습니다.”

우주 바람이 중요한 이유

이 바람은 단순한 호기심이 아닙니다. 그들은 우주에 대규모 변화를 주도합니다.

은하 중심에 초대질량 블랙홀이 있는 성계에서도 비슷한 바람이 분다. 그들은 거대한 분자 구름을 압축하여 별 탄생이나 열을 유발하고 그 구름을 분산시켜 별 형성을 중단시킬 수 있습니다. 천문학자들은 이러한 밀고 당기기를 피드백이라고 부르며, 극단적인 경우 중앙 블랙홀에서 나오는 바람이 전체 은하계의 성장을 조절할 수 있습니다.

초대질량 블랙홀 주변의 과정은 GX13+1 근처의 과정을 반영할 수 있기 때문에 팀은 기본 물리학을 더 선명하게 드러낼 수 있는 더 가깝고 밝은 목표로 이 중성자별 시스템을 선택했습니다.

Eddington 한계에 대한 적시 급증

계획된 관측 직전에 GX13+1은 예상외로 밝아졌고 에딩턴 한계에 도달하거나 심지어 초과했습니다.

이 한계는 물질이 블랙홀이나 중성자별과 같은 소형 물체에 떨어질 때 어떤 일이 발생하는지 설명합니다. 물질이 더 많이 유입되면 더 많은 에너지가 방출됩니다. 에너지 출력이 증가함에 따라 방사선은 들어오는 물질에 압력을 가하여 물질을 바깥쪽으로 밀어냅니다. 에딩턴 한계에서 생성되는 고에너지 빛은 유입되는 거의 모든 물질을 바람의 형태로 우주로 다시 몰아낼 수 있습니다.

Resolve는 이 극적인 단계에서 GX13+1을 녹음했습니다.

이번 연구의 수석 연구원인 영국 더럼 대학의 크리스 돈(Chris Done)은 “만약 우리가 시도했다면 이 일을 계획할 수 없었을 것입니다.”라고 말했습니다. “시스템은 최대 복사 출력의 약 절반에서 훨씬 더 강력한 출력으로 바뀌어 이전에 본 것보다 더 강한 바람을 생성했습니다.”

느리고 촘촘한 바람은 예상을 뒤엎는다

강한 폭발에도 불구하고 풍속은 시속 100만km 가까이 유지됐다. 이는 지구에서는 빠르지만, 유출이 광속의 20~30%, 2억km/h 이상에 도달할 수 있는 초대질량 블랙홀 주변의 에딩턴 한계 근처의 바람과 비교할 때 느립니다.

Chris는 “이 바람이 얼마나 ‘느린’지, 얼마나 두꺼운지 아직도 놀랍습니다. 마치 우리를 향해 굴러가는 안개 더미를 통해 태양을 보는 것과 같습니다. 안개가 두꺼워지면 모든 것이 어두워집니다.”라고 Chris는 말합니다.

중성자별 vs 블랙홀 바람

대조는 이뿐만이 아니었습니다. 에딩턴 한계의 초거대 블랙홀에 대한 이전 XRISM 관측에서는 초고속의 덩어리진 바람이 나타났습니다. 이에 비해 GX13+1의 유출은 느리고 원활하게 나타난다.

“바람은 완전히 달랐지만 에딩턴 한계 측면에서 거의 동일한 시스템에서 나왔습니다. 그렇다면 이 바람이 실제로 복사압에 의해 구동된다면 왜 다른가요?” 크리스가 묻습니다.

핵심은 부착 디스크 온도

연구팀은 그 답이 중심 물체 주변의 강착 원반의 온도에 있다고 제안합니다. 직관과는 반대로, 초대질량 블랙홀 주변의 원반은 중성자별이나 블랙홀이 있는 항성질량계의 원반보다 온도가 더 낮은 경향이 있습니다.

초대질량 블랙홀 주변의 디스크는 훨씬 더 큽니다. 그들은 매우 밝을 수 있지만 그 힘은 넓은 지역에 걸쳐 분산되어 있기 때문에 그들이 방출하는 일반적인 방사선은 자외선에서 최고조에 이릅니다. 항성질량계는 X선을 더 강하게 방출합니다.

자외선은 X선보다 더 쉽게 물질과 상호작용합니다. Chris와 동료들은 이러한 차이로 인해 자외선 복사가 물질을 더 효율적으로 밀어내고 초대질량 블랙홀 근처에서 볼 수 있는 훨씬 더 빠른 바람을 생성할 수 있다고 제안합니다.

은하 진화에 있어서 이것이 무엇을 의미하는가

이 설명이 유효하다면 극한 환경에서 에너지와 물질의 교환에 대해 과학자들이 생각하는 방식이 개선될 것입니다. 또한 이러한 과정이 은하의 성장과 우주의 더 넓은 진화에 어떻게 영향을 미치는지 명확히 할 수 있습니다.

ESA 연구원인 Camille Diez는 “XRISM의 전례 없는 해상도를 통해 이러한 물체를 훨씬 더 자세히 조사할 수 있어 NewAthena와 같은 차세대 고해상도 X선 망원경의 기반이 마련되었습니다.”라고 말했습니다.

XRISM 사명 개요

XRISM(크리즈엠으로 발음)은 2023년 9월 7일에 발사되었습니다. 이 임무는 NASA 및 ESA와 협력하여 JAXA(일본 항공우주 탐사국)가 주도합니다. 이 비행기는 개별 X선 광자의 에너지를 측정하여 전례 없는 수준의 에너지 분해능(X선 ‘색상’을 구별하는 장비의 기능)을 제공하는 X선 열량계인 Resolve와 주변 지역을 이미지화하는 광시야 X선 CCD 카메라인 Xtend라는 두 가지 장비로 비행합니다.