컴퓨터 시뮬레이션과 천문학 데이터를 사용한 새로운 연구에 따르면 일부 오래 지속되는 감마선 폭발(GRB)은 블랙홀을 형성하는 우주 합병으로 인해 발생하며, 이는 GRB가 전적으로 별의 붕괴로 인해 발생한다는 이전 이론에 도전합니다. 이 획기적인 발전은 감마선 폭발의 기원에 대한 보다 완전한 이해를 제공합니다.
Fratillon Institute의 천체물리학자와 동료들은 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 블랙홀이 우주에서 가장 강력한 폭발을 생성하는 방법에 대한 보다 명확한 이해를 제공했습니다.
이론적 계산과 결합된 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션은 천문학자들이 우주에서 가장 활기차고 신비한 빛 현상 중 일부인 감마선 폭발(GRB)의 기원을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다. 새로운 통합 모델은 거대한 원반으로 둘러싸인 베이비 블랙홀을 생성한 우주 합병 후에 일부 오래 지속되는 감마선 폭발이 생성된다는 것을 확인시켜 줍니다.
이전에 천문학자들은 긴 GRB를 생성하는 블랙홀은 일반적으로 거대한 별이 붕괴할 때 형성된다고 생각했습니다. 그러나 새로운 모델은 중성자별 한 쌍(거대한 별의 밀도 있고 죽은 잔재)이나 블랙홀과 중성자별과 같은 두 개의 밀도가 높은 물체가 합쳐질 때도 생성될 수 있음을 보여줍니다. 이 발견은 천문학자들이 항성 붕괴와 연관지을 수 없었던 최근 관측된 긴 GRB를 설명합니다.
시뮬레이션 제작자는 11월 29일 The Asphysical Journal Letters에 결과를 발표했습니다.
시뮬레이션은 블랙홀과 중성자별의 합병이 어떻게 감마선 폭발을 일으키는 강력한 제트와 바람을 생성하는지 보여줍니다. 새로운 연구는 그러한 합병의 물리학을 감마선 폭발의 관측과 연결하는 틀을 제안합니다. 연구에 따르면 블랙홀과 중성자별과 같은 거대한 물체의 합병으로 인해 오래 지속되는 감마선 폭발이 발생할 수 있는 것으로 나타났습니다. 출처: 올레 고틀립
이번 연구의 주저자이자 뉴욕 플랫아이론 연구소 전산 천체 물리학 센터(CCA) 연구원인 오레 고틀립(Ore Gottlieb)은 “우리의 발견은 관측을 기초 물리학과 연결하고 감마선 폭발 분야에서 풀리지 않은 많은 질문을 통합한다”고 말했습니다. "처음으로 우리는 GRB 관측을 통해 블랙홀이 형성되기 전에 어떤 일이 일어나는지 알 수 있습니다."
GRB는 우주에서 가장 밝고 폭력적인 사건입니다. GRB는 1967년 처음 발견된 이후 천문학자들을 현혹시키고 당황하게 했습니다. 수십 년이 지났음에도 강력한 감마선 폭발을 생성하는 정확한 메커니즘은 여전히 불확실합니다. 수년에 걸쳐 천문학자들은 두 가지 유형의 감마선 폭발을 발견했습니다. 하나는 1초 미만 지속되고 다른 하나는 10초 이상 지속됩니다. 연구자들은 궁극적으로 짧은 GRB는 두 개의 소형 물체가 합쳐진 후 방출되는 제트에서 발생하는 반면, 긴 GRB는 회전하는 거대한 별이 붕괴될 때 방출되는 제트에서 발생할 수 있다고 결론지었습니다. 그러나 지난 1년 동안 긴 GRB에 대한 두 가지 특이한 관찰을 통해 긴 GRB를 유발하는 것은 거대괴수 붕괴만이 아니라는 사실이 밝혀졌습니다.
Gottlieb과 그의 동료들은 거대하고 컴팩트한 물체의 합병이 어떻게 감마선 폭발을 유발할 수 있는지 테스트하기 위해 최첨단 시뮬레이션을 수행했습니다. 새로운 시뮬레이션은 몇 달이 걸렸으며 부분적으로 Fratilon Institute의 슈퍼컴퓨터에서 수행되었습니다. 새로운 시뮬레이션은 두 개의 소형 물체가 가까운 궤도에 있을 때 시작되며 제트가 합병 지점에서 멀어질 때까지 제트를 추적합니다. 이 접근법을 통해 연구자들은 관련된 물리학에 대해 더 적은 가정을 할 수 있습니다. 천문학적 데이터의 제약 조건과 시뮬레이션을 결합하여 과학자들은 GRB 기원에 대한 통합 모델을 구축했습니다.
연구원들은 두 개의 작은 물체가 합쳐진 후에 특이한 GRB가 생성되었다고 판단했습니다. 합병으로 인해 긴 GRB를 방출할 수 있는 대형 강착 원반(자성 잔여 물질이 빠르게 회전하는 도넛)으로 둘러싸인 블랙홀이 생성됩니다. 시뮬레이션에서 얻은 이 정보는 천문학자들이 이러한 감마선 폭발을 생성하는 물체뿐만 아니라 그 전에 무슨 일이 일어나는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
시뮬레이션은 블랙홀과 중성자별의 합병이 어떻게 감마선 폭발을 일으키는 강력한 제트와 바람을 생성하는지 보여줍니다. 새로운 연구는 그러한 합병의 물리학을 감마선 폭발의 관측과 연결하는 틀을 제안합니다. 연구에 따르면 블랙홀과 중성자별과 같은 거대한 물체의 합병으로 인해 오래 지속되는 감마선 폭발이 발생할 수 있는 것으로 나타났습니다. 출처: 올레 고틀립
Gottlieb은 "2022년에 관측된 것과 같은 긴 감마선 폭발을 본다면 이제 그것이 거대한 원반을 가진 블랙홀에서 나온다는 것을 알게 됩니다. 거대한 원반이 있다는 것을 알면 이제 두 모체의 질량 비율을 계산할 수 있습니다. 질량 비율은 원반의 특성과 관련이 있기 때문입니다. 예를 들어, 질량이 다른 중성자별의 합병은 필연적으로 더 긴 지속 시간의 GRB를 생성하게 됩니다."라고 말했습니다.
과학자들은 이 통합 모델을 사용하여 어떤 물체가 짧은 GRB를 생성하는지 결정하기를 희망합니다. 모델은 이러한 폭발이 더 작은 강착 원반을 가진 블랙홀이나 빠르게 붕괴하여 블랙홀을 형성하지만 짧은 GRB 펄스를 방출하기 전에는 형성되지 않는 불안정한 형태의 별인 초거대 중성자별로 알려진 유형의 물체에서 발생할 수 있음을 시사합니다. 과학자들은 더 많은 GRB 관측을 통해 시뮬레이션을 더욱 개선하여 모든 GRB의 기원을 결정할 수 있기를 바라고 있습니다. GRB 관측은 여전히 상대적으로 드물지만 천문학자들은 Vera C Rubin 천문대가 2025년 초에 관측을 시작하면 더 많은 GRB를 포착하는 것을 목표로 하고 있습니다.
Gottlieb은 "다양한 펄스 지속 시간의 GRB를 더 많이 관찰하면 이러한 극한 현상을 일으키는 중심 엔진을 더 잘 감지할 수 있을 것"이라고 말했습니다.