많은 거대 은하의 중심에는 초거대 블랙홀(SMBH)이 있습니다. 우리 은하수에는 태양 질량의 약 430만 배에 달하는 휴면 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*가 있습니다. 그러나 우주 깊은 곳에는 태양 질량의 수백억 배에 달하는 훨씬 더 거대한 SMBH가 있습니다. 블랙홀은 근처 천체(별 포함)를 중력에 의해 삼켜 질량이 증가합니다.
이것은 초대질량 블랙홀에 삼켜질 만큼 불운한 별들에게는 파국적으로 파괴적인 결과이지만, 과학자들에게는 다행스러운 일입니다. 이제 은하계의 휴면 중심을 탐사할 기회를 갖게 되었기 때문입니다.
TDE는 탐험의 길을 밝혀줍니다
이름에서 알 수 있듯이 블랙홀은 자체적으로 빛을 방출하지 않으므로 연구자들이 관찰하기 어렵습니다. 그러나 별이 초대질량 블랙홀에 충분히 가까워지면 블랙홀의 거대한 조수 중력장에 의해 별이 파괴됩니다. 이 상호 작용은 실제로 지구와 달 사이의 조수 상호 작용의 극단적인 예입니다. 조수에 의해 파괴된 물질 중 일부는 블랙홀로 떨어져 매우 뜨겁고 매우 밝은 물질의 원반을 형성합니다. 조수 붕괴 사건(TDE)으로 알려진 이 과정은 과학자들이 강력한 망원경으로 관찰하고 분석할 수 있는 광원을 제공합니다.
TDE는 상대적으로 드물며 특정 은하계에서 대략 10,000~100,000년마다 발생할 것으로 예상됩니다. 일반적으로 매년 1~20개의 TDE가 감지되지만 현재 칠레에서 건설 중인 Vera C Rubin 천문대와 같은 신기술의 출현으로 앞으로 수백 개의 TDE가 관찰될 것으로 예상됩니다. 이 강력한 천문대는 우주에서 시간에 따라 변하는 천문 현상을 "조사"하기 위해 밤하늘의 상승 및 하강 광원을 스캔합니다. 이러한 관찰을 통해 천체물리학자들은 TDE를 연구하여 SMBH와 SMBH가 파괴하는 별의 특성을 추정할 수 있습니다. 연구자들이 이해하려고 노력하는 것 중 하나는 별과 SMBH의 질량입니다. 하나의 모델이 자주 사용되는 반면, 최근에는 새로운 모델이 개발되어 현재 테스트 중입니다.
분석 모델의 출현
강착률, 즉 TDE 동안 별의 항성 물질이 SMBH로 다시 떨어지는 속도는 질량과 같은 별과 SMBH의 중요한 특성을 드러냅니다. 가장 정확한 계산 방법은 TDE의 조석 교란 물질이 블랙홀에 비가 내릴 때 컴퓨터를 사용하여 가스 역학을 분석하는 유체 역학의 수치 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 이 기술은 정확하지만 비용이 많이 들고 연구자가 TDE를 계산하는 데 몇 주에서 몇 달까지 걸릴 수 있습니다.
최근 수십 년 동안 물리학자들은 강착률을 계산하기 위한 분석 모델을 고안했습니다. 이러한 모델은 붕괴된 별과 블랙홀의 특성을 이해하는 효율적이고 경제적인 방법을 제공하지만 근사치의 정확성에 대해서는 여전히 불확실성이 남아 있습니다.
현재 존재하는 분석 모델은 소수에 불과하며, 그 중 가장 유명한 것은 아마도 "블랙홀에 얼어붙은" 근사 모델일 것입니다. 이 이름은 블랙홀에 떨어지는 잔해의 궤도 주기가 블랙홀로부터 특정 거리(조석 반경이라고 함)에서 결정되거나 "블랙홀 내에서 동결"된다는 사실에서 유래합니다. 1982년 레이시(Lacey), 타운스(Townes), 홀렌바흐(Hollenbach)가 제안하고 2009년 로다토(Lodato), 킹(King), 프링글(Pringle)이 확장한 이 모델은 무거운 별의 강착 속도가 별의 질량에 따라 1~10년의 시간 척도에서 최고조에 달한다는 것을 시사합니다. 이는 밤하늘에서 관측할 경우 별 소스가 처음에는 밝아지고 밝기가 최고조에 달한 다음 시간이 지남에 따라 최대 몇 년의 시간 규모로 점차 희미해질 수 있음을 의미합니다.
앞으로 나아갈 새로운 길
시러큐스 대학의 물리학 교수인 Eric Coughlin과 리즈 대학의 이론 천체 물리학 부교수인 Chris Nixon은 2022년에 CN22 모델이라는 새로운 모델을 제안했습니다. 이 모델은 TDE의 피크 시간 규모를 별의 특성과 블랙홀 질량의 함수로 결정합니다. 이 새로운 모델을 기반으로 그들은 일부 유체 역학 시뮬레이션의 결과와 일치하는 TDE의 최고 시간 척도와 강착 속도를 복구했지만 모델의 더 넓은 의미, 그리고 별의 질량과 나이를 포함한 더 넓은 범위의 별 유형에 대한 예측은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다.
더 넓은 맥락에서 이 모델의 예측을 더 잘 설명하고 이해하기 위해 물리학과 박사과정 학생인 Ananya Bandopadhyay가 이끄는 Syracuse University 연구팀은 CN22 모델의 영향을 분석하고 다양한 유형의 별과 다양한 질량의 SMBH에 대해 테스트하는 연구를 수행했습니다. 팀의 발견은 천체물리학 저널 레터스(Asphysical Journal Letters)에 게재되었습니다. 제1저자 Bandopadhyay 외에도 공동저자에는 Coughlin, Nixon, 물리학과의 학부 및 대학원생, Syracuse City School Department(SCSD)의 학생들이 포함됩니다. 시러큐스 교육청 학생 참여는 지역 고등학교 학생들이 예술 과학 대학 물리학과의 교수진 및 학생들과 함께 최첨단 연구에 참여하는 6주간의 유급 인턴십 프로그램인 시러큐스 대학교 물리학 연구(SURPh) 프로그램을 통해 가능해졌습니다.
2022년과 2023년 여름에 USC 학생들은 Syracuse University의 물리학자들과 협력하여 CN22 모델의 타당성을 테스트하기 위한 컴퓨터 프로젝트를 진행했습니다. 그들은 별의 진화를 연구하기 위해 Stellar Asphysics Experiment Module이라는 별의 진화 코드를 사용했습니다. 이 프로파일을 사용하여 그들은 다양한 항성 질량과 연령에 대한 "동결" 근사치와 CN22 모델의 강착률 예측을 비교했습니다. 그들은 또한 수치적으로 도출된 강착률과 모델 예측을 비교하기 위해 초거대 블랙홀에 의한 태양과 같은 별의 파괴에 대한 유체역학적 수치 시뮬레이션을 수행했습니다.
연구결과
Bandopadhyay에 따르면 팀은 CN22 모델이 유체 역학 시뮬레이션과 잘 일치한다는 것을 발견했습니다. 더욱이, 그리고 아마도 가장 중요한 것은, 이 연구에서 TDE의 강착 속도의 최고 시간 척도는 파괴된 별의 특성(질량 및 나이)에 매우 둔감하며, 궁수자리 A* 질량을 지닌 블랙홀에 의해 파괴된 태양과 같은 별의 최고 시간 척도는 약 50일이라는 사실을 발견했습니다.
이 결과에서 가장 놀랍고 놀라운 점은 "동결" 모델이 매우 다른 예측을 했다는 것입니다. "동결" 모델에 따르면, 동일한 TDE에 의해 생성된 확산 속도는 2년 기간에 최고조에 달할 것이며 이는 유체역학 시뮬레이션 결과와 분명히 일치하지 않습니다.
Bandopadhyay는 "이것은 TDE의 작동 방식과 별의 완전한 파괴로 인해 발생할 수 있는 과도 현상의 유형에 대한 이전 개념을 뒤집습니다."라고 말했습니다. "CN22 모델의 정확성을 확인함으로써 우리는 이 분석적 접근 방식이 다양한 질량과 연령에 따른 별 파괴의 관측 가능한 특성에 대한 추론 속도를 크게 높일 수 있음을 보여줍니다."
그들의 연구는 또한 TDE가 다년에 걸쳐 정점에 도달하고 감소하는 장기간의 광 곡선을 설명하는 데 사용될 수 있다는 이전 아이디어를 뒤집었습니다. 또한 Coughlin은 이 논문에서 최대 후퇴율이 실제로 파괴된 별의 질량 및 나이와 무관하며 거의 전적으로 SMBH의 질량에 의해 결정된다는 점을 확인했다고 지적했습니다.
"상승 시간을 측정하면 직접 엿볼 수 있는 것은 실제로 초대질량 블랙홀의 특성입니다. 이것이 TDE를 사용하여 블랙홀의 일부 조건을 설명하는 TDE 물리학의 목표입니다."라고 Coughlin은 말했습니다.
이 분야에 대한 논문의 영향을 고려하여 미국천문학회(American Astronomical Society)는 2024년 1월 11일 뉴올리언스에서 열리는 학회의 243차 회의에서 팀의 연구 결과를 발표하도록 Bandopadhyay를 초대했습니다.
연구팀은 앞으로 CN22 모델의 정확성을 확인함으로써 연구자들이 TDE에 대해 관찰 가능한 예측을 하고 이를 기존 및 향후 탐지와 비교하여 테스트할 수 있는 창을 열 것이라고 말합니다. 협업과 독창성을 통해 시러큐스 대학교 연구원들은 블랙홀 물리학의 세부 사항을 밝히고 한때 추적할 수 없었던 머나먼 우주의 영역을 탐험하는 데 도움을 주고 있습니다.
컴파일된 소스: ScitechDaily