천문학자들이 ‘불가능한’ 블랙홀의 미스터리를 풀었습니다.

2023년에 천문학자들은 극적인 사건을 목격했습니다. 두 개의 엄청나게 거대한 블랙홀이 약 70억 광년 떨어진 곳에서 충돌했습니다. 그들의 엄청난 크기와 빠른 회전은 설명을 거부했습니다. 기존 이론에 따르면, 이러한 블랙홀은 단순히 존재해서는 안 됩니다.

Flatiron Institute의 전산 천체 물리학 센터(CCA)와 파트너 기관의 연구원들은 이제 그러한 우주 거인들이 어떻게 형성되고 결국 충돌할 수 있는지 밝혀냈습니다. 이러한 블랙홀을 생성한 별의 수명주기를 추적함으로써 팀은 이전 모델에서는 오랫동안 간과되었던 자기장이 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다.

“아무도 우리가 했던 방식으로 이러한 시스템을 고려하지 않았습니다. 이전에는 천문학자들이 지름길을 선택하고 자기장을 무시했습니다.”라고 CCA의 천체 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Ore Gottlieb는 설명합니다. 천체 물리학 저널 편지. “그러나 일단 자기장을 고려하면 실제로 이 독특한 사건의 기원을 설명할 수 있습니다.”

블랙홀 이론에 도전한 2023년 충돌

현재 GW231123으로 알려진 우주 충돌은 중력파(거대한 천체 운동에 의해 생성되는 시공간 파동)를 측정하는 LIGO-Virgo-KAGRA 관측소에 의해 감지되었습니다.

발견 당시 천문학자들은 어떻게 그렇게 거대하고 빠르게 회전하는 블랙홀이 형성되었는지 이해할 수 없었습니다. 거대한 별이 연료를 모두 소모하면 일반적으로 초신성으로 붕괴 및 폭발하여 더 작은 블랙홀을 남깁니다. 그러나 특정 질량 범위 내의 별은 별을 완전히 파괴하는 쌍불안정성 초신성이라는 특히 폭력적인 유형의 폭발을 경험합니다.

“이러한 초신성의 결과로 우리는 블랙홀이 대략 태양 질량의 70~140배 사이에 형성될 것으로 예상하지 않습니다”라고 Gottlieb은 말합니다. “그래서 이 틈 안에 질량이 있는 블랙홀을 보는 것은 당혹스러웠습니다.”

시뮬레이션을 통해 직장에 숨겨진 힘이 드러난다

한 가지 가능한 설명은 이 “질량 격차” 내의 블랙홀이 더 작은 블랙홀의 합병을 통해 간접적으로 형성된다는 것입니다. 그러나 GW231123의 경우에는 그럴 것 같지 않았습니다. 합병은 일반적으로 혼란스럽고 결과적으로 생성되는 블랙홀의 회전을 방해합니다. 그러나 GW231123에 관련된 두 개의 블랙홀은 빛의 속도에 가까운 회전을 하고 있었습니다. 이는 지금까지 관측된 것 중 가장 빠른 속도로, 그러한 시나리오는 불가능합니다.

수수께끼를 풀기 위해 Gottlieb과 그의 팀은 2단계 시뮬레이션을 수행했습니다. 첫째, 그들은 태양 질량의 250배에 달하는 거대한 별의 삶과 죽음을 모델로 삼았습니다. 초신성으로 폭발할 때까지 이 별은 이론적인 질량 격차 바로 위인 약 150 태양질량으로 줄어들 만큼 충분한 연료를 태워 블랙홀을 남겼습니다.

다음 단계에서는 그림에 자기장이 도입되었습니다. 이 모델은 초신성의 잔재, 즉 자기장을 포함하는 소용돌이치는 별 잔해 구름과 중심에 새로 태어난 블랙홀에서 시작되었습니다. 이전 이론에서는 남은 모든 물질이 블랙홀에 떨어질 것이라고 가정했지만 새로운 시뮬레이션에서는 다른 그림이 그려졌습니다.

자기가 붕괴하는 별의 운명을 바꾸는 방법

붕괴하는 별이 회전하지 않으면 주변 물질은 블랙홀로 곧장 떨어집니다. 그러나 별이 빠르게 회전하면 그 물질은 블랙홀 주위에 디스크를 형성하여 시간이 지남에 따라 블랙홀에 영양을 공급하고 회전을 증가시킵니다. 그러나 자기장은 이 과정을 방해합니다. 그들의 압력은 물질의 일부를 거의 빛의 속도로 바깥쪽으로 폭발시켜 물질이 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다.

이러한 물질 방출은 블랙홀이 흡수하는 물질의 양을 감소시킵니다. 자기장이 강할수록 더 많은 질량이 방출됩니다. 극단적인 경우에는 이러한 유출로 인해 원래 별 질량의 최대 절반이 손실될 수 있습니다. 팀의 시뮬레이션에서 이 메커니즘은 한때 “금지된” 범위 내에 질량이 떨어지는 블랙홀을 자연스럽게 생성했습니다.

“우리는 회전과 자기장의 존재가 별의 붕괴 후 진화를 근본적으로 변화시켜 블랙홀 질량을 잠재적으로 붕괴하는 별의 전체 질량보다 훨씬 낮게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 Gottlieb은 말합니다.

블랙홀 질량과 회전의 연결

결과는 블랙홀의 질량과 회전 속도 사이의 흥미로운 관계를 지적합니다. 자기장이 강할수록 블랙홀의 회전 속도가 느려지고 더 많은 별 질량이 제거되어 더 작고 느린 블랙홀이 생성될 수 있습니다. 반면에 약한 장에서는 더 무겁고 빠르게 회전하는 장을 형성할 수 있습니다. 이 패턴은 질량과 스핀을 연결하는 더 넓은 법칙을 밝힐 수 있으며, 이는 미래의 관찰을 통해 확인될 수 있습니다.

현재 알려진 다른 블랙홀 시스템은 이 연결을 테스트할 수 없지만 천문학자들은 향후 탐지를 통해 GW231123과 같은 더 많은 사례가 발견되기를 바라고 있습니다.

가장 어두운 사건으로부터의 빛의 폭발

시뮬레이션은 또한 이러한 자기 과정이 블랙홀 형성 중에 감마선 폭발을 생성한다고 예측합니다. 이러한 감마선 섬광을 감지하면 이론을 확인하고 이러한 거대한 블랙홀이 실제로 얼마나 흔한지 보여주는 데 도움이 될 수 있습니다.

만약 검증된다면, 이러한 발견은 “불가능한” 충돌을 설명할 뿐만 아니라 과학자들이 우주의 가장 극단적이고 매혹적인 물체 중 하나를 이해하는 방식을 바꿀 것입니다.