새로운 연구에 따르면 초대질량 블랙홀은 이전에 생각했던 것보다 더 빨리 주변 물질을 먹어치운다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 통찰력은 고해상도 시뮬레이션에서 비롯되며 퀘이사가 왜 그렇게 빨리 번쩍이고 사라지는지를 설명할 수 있습니다. 노스웨스턴 대학이 주도한 새로운 연구는 천체물리학자들이 초대형 블랙홀의 먹이 습관을 이해하는 방식을 바꾸고 있습니다. 이전 연구자들은 블랙홀이 천천히 먹는다고 가정했지만 새로운 시뮬레이션에 따르면 블랙홀은 기존의 통념보다 훨씬 빠르게 음식을 먹어치우는 것으로 나타났습니다.
이 연구는 9월 20일자 천체물리학 저널에 게재되었습니다.
시뮬레이션 통찰력
새로운 고해상도 3차원 시뮬레이션에 따르면, 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 뒤틀어 결국 블랙홀을 둘러싸고 영양분을 공급하는 격렬한 가스 소용돌이, 즉 강착원반을 찢어버립니다. 이로 인해 부착 디스크가 두 개의 하위 디스크, 내부 디스크와 외부 디스크로 찢어집니다. 블랙홀은 내부 고리를 먼저 삼켜버립니다. 그런 다음 외부 하위 디스크 조각이 안쪽으로 쏟아져 나와 완전히 먹어치운 내부 링이 남긴 빈 공간을 채우고 삼키는 과정이 반복됩니다.
"먹는다" - "먹는다" - "다시 먹는다"는 과정을 끝없이 반복하는 주기는 단 몇 달밖에 걸리지 않습니다. 이전에 연구자들이 제안한 수백 년에 비하면 놀라울 정도로 빠른 시간입니다.
새로운 발견은 갑자기 불꽃이 터졌다가 뚜렷한 이유 없이 사라지는 퀘이사를 포함하여 밤하늘에서 가장 밝은 물체 중 일부의 극적인 행동을 설명하는 데 도움이 됩니다.
연구를 주도한 노스웨스턴 대학의 Nick Kaaz는 "고전적인 강착 원반 이론은 강착 원반이 천천히 진화할 것으로 예측합니다. 그러나 일부 퀘이사(강착 원반에서 가스를 삼키는 블랙홀)는 수개월에서 수년에 걸쳐 극적인 변화를 겪는 것으로 보입니다. 그 변화는 매우 극적입니다. 대부분의 빛이 나오는 강착 원반의 내부 부분이 파괴된 다음 다시 보충되는 것처럼 보입니다. 고전적인 강착 원반 이론은 이러한 극적인 변화를 설명할 수 없습니다. 그러나 시뮬레이션에서 볼 수 있는 급격한 밝아짐 및 어두워짐은 디스크 내부 영역의 파괴와 일치할 가능성이 있습니다."
Kaaz는 노스웨스턴대학교 와인버그 예술과학대학 천문학과 대학원생이자 천체물리학 학제간 탐구 및 연구 센터(CIERA)의 회원입니다. Kaaz는 Weinberg College의 물리학 및 천문학 부교수이자 CIERA 회원인 공동 저자 Alexander Tchekhovskoy의 감독을 받았습니다.
잘못된 가정
블랙홀을 둘러싼 강착원반은 물리적으로 매우 복잡한 물체이므로 모델링하기가 어렵습니다. 기존 이론에서는 왜 이 원반이 그렇게 밝게 빛났다가 갑자기 어두워지고 때로는 완전히 사라지는지를 설명하기 위해 애썼습니다.
이전 연구자들은 강착 원반이 상대적으로 정렬되어 있다고 잘못 믿었습니다. 이 모델에서 가스와 입자는 블랙홀과 동일한 평면에서 블랙홀의 회전과 동일한 방향으로 블랙홀 주위를 공전합니다. 그런 다음 수백 년에서 수십만 년에 걸쳐 가스 입자가 점차 블랙홀 안으로 나선형으로 들어가 블랙홀에 영양을 공급합니다.
"수십년 동안 사람들은 강착 원반이 블랙홀의 회전과 일치한다고 큰 가정을 해왔습니다."라고 Kaaz는 말했습니다. "그러나 이러한 블랙홀에 공급되는 가스는 블랙홀이 어느 방향으로 회전하는지 반드시 알 수는 없지만 왜 스스로 정렬합니까? 정렬을 변경하면 그림이 극적으로 달라집니다."
현재까지 강착원반에 대한 최고 해상도 시뮬레이션 중 하나인 연구진의 시뮬레이션은 블랙홀 주변 지역이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 혼란스럽고 격동적이라는 것을 보여줍니다.
접시라기보다는 자이로스코프에 더 가깝습니다.
연구원들은 Oak Ridge 국립연구소의 세계 최대 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Summit을 사용하여 기울어진 얇은 강착 원반의 3차원 일반 상대론적 자기유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 수행했습니다. 이전 시뮬레이션은 실제 블랙홀을 구성하는 데 필요한 모든 물리학을 포함할 만큼 강력하지 않았지만, 노스웨스턴이 주도하는 모델은 가스 역학, 자기장 및 일반 상대성 이론을 통합하여 보다 완전한 그림을 구축합니다.
"블랙홀은 주변 시공간에 영향을 미치는 극단적인 일반 상대론적 물체입니다."라고 Kaaz는 말했습니다. "그래서 블랙홀이 회전할 때 그들은 거대한 회전목마처럼 주변 공간을 끌고 공간도 회전하도록 강제합니다. 이는 '프레임 끌기'라고 알려진 현상입니다. 이는 블랙홀에 가까울수록 매우 강한 효과를 생성하고 멀어질수록 점점 약해집니다."
프레임 드래그로 인해 자이로스코프의 전처리와 유사하게 전체 디스크가 원을 그리며 흔들립니다. 그러나 디스크 내부는 외부보다 훨씬 빠르게 진동합니다. 이러한 힘의 불일치로 인해 전체 디스크가 휘어지고 디스크의 여러 부분에서 나온 가스가 충돌하게 됩니다. 충돌로 인해 생성된 강한 충격파는 물질을 블랙홀에 점점 더 가깝게 밀어냅니다.
뒤틀림이 더욱 심해짐에 따라 부착 원반의 가장 안쪽 영역은 원반의 나머지 부분에서 분리될 때까지 계속해서 더 빠르고 빠르게 흔들립니다. 그런 다음 새로운 시뮬레이션 결과를 기반으로 하위 디스크가 서로 독립적으로 진화하기 시작합니다. 블랙홀 주위의 평판처럼 부드럽게 함께 움직이는 대신, 서브디스크는 자이로스코프의 바퀴처럼 서로 다른 속도와 각도로 독립적으로 흔들립니다.
Kaaz는 "내부 디스크가 찢어지면서 독립적으로 전처리됩니다. 블랙홀에 더 가깝기 때문에 전진 운동이 더 빠르고, 더 작기 때문에 더 쉽게 움직일 수 있습니다"라고 Kaaz는 말했습니다.
블랙홀이 승리하는 곳
새로운 시뮬레이션에 따르면 내부 및 외부 하위 디스크가 분리되는 찢어짐 영역은 실제로 열광적인 공급이 시작되는 곳입니다. 마찰은 원반을 서로 붙잡으려고 하는 반면, 회전하는 블랙홀의 시공간 왜곡은 원반을 찢어놓으려고 합니다.
Katz는 "블랙홀의 회전과 디스크 내부의 마찰 및 압력 사이에 경쟁이 있습니다"라고 말했습니다. "테어 존은 블랙홀이 승리하는 곳입니다. 내부 디스크와 외부 디스크가 서로 충돌합니다. 외부 디스크는 내부 디스크의 층을 깎아 안쪽으로 밀어냅니다."
이제 하위 디스크가 서로 다른 각도로 교차합니다. 외부 디스크는 재료를 내부 디스크에 덤프합니다. 이 여분의 질량은 또한 내부 원반을 블랙홀 쪽으로 밀어 삼켜버립니다. 블랙홀 자체의 중력은 가스를 외부 영역에서 현재 비어 있는 내부 영역으로 끌어당겨 다시 채웁니다.
퀘이사 간의 연결
"먹고 먹는" 이 빠른 주기는 소위 퀘이사의 "외모 변화"를 설명할 수 있다고 Katz는 말했습니다. 퀘이사는 은하수 전체에 있는 2000억~4000억 개의 별보다 1000배나 강한 에너지를 방출하는 매우 밝은 물체이다. 퀘이사의 변화는 훨씬 더 극단적입니다. 그들은 몇 달에 걸쳐 깜박이는 것처럼 보입니다. 이는 전형적인 퀘이사로서는 극히 짧은 시간입니다.
고전 이론에서는 강착 원반의 진화 속도와 밝기 변화에 대해 가정하지만, 왜곡된 퀘이사를 관찰한 결과 실제로는 훨씬 더 빠르게 진화하는 것으로 나타났습니다.
"대부분의 밝기가 나오는 강착 원반의 내부 영역은 완전히 사라질 수 있습니다. 몇 달 안에 빠르게. 우리는 기본적으로 그것이 완전히 사라지는 것을 볼 수 있습니다. 시스템은 더 이상 불이 들어오지 않습니다. 그런 다음 다시 밝아지고 프로세스가 반복됩니다. 기존 이론으로는 그것이 처음에 왜 사라지는지, 어떻게 그렇게 빨리 다시 채워지는지 설명할 수 없습니다."
새로운 시뮬레이션은 퀘이사를 설명할 수 있을 뿐만 아니라 블랙홀의 신비한 본질에 대한 오랜 질문에 답할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
Katz는 "가스가 블랙홀에 어떻게 들어가 에너지를 공급하는가는 강착원반 물리학의 핵심 문제입니다."라고 말했습니다. "이런 일이 어떻게 일어나는지 알면 디스크가 얼마나 오래 지속되는지, 얼마나 밝은지, 망원경으로 보면 빛이 어떤 모습인지 알 수 있습니다."