천문학자가 되는 가장 좋은 점 중 하나는 우주에 대해 새로운 것을 발견할 수 있다는 것이다. 사실, 아마도 더 나은 것은 그것을 두 번 발견하는 것이다. 이것이 바로 내 동료들과 내가 수행한 일이다. 단 10일 간격으로 완전히 새로운 유형의 천문 현상에 대해 두 번의 개별 관측을 수행했다. 중성자 별이 삼켜 지기 전에 블랙홀을 돌고 있다.  

두 관측은 2020년 1월에 레이저 간섭계 중력파 관측소 (LIGO)와 처녀 자리 관측소에 의해 이루어졌으며 둘 다 먼 우주에서 중력파를 감지한다.

18개월의 고된 분석 끝에 우리의 발견은 The Astrophysics Journal Letters에 게재되었다. 새로운 관측은 별의 수명주기, 시공간의 본질, 극심한 압력과 밀도에서 물질의 행동을 연구하는 새로운 길을 열어준다.

중성자 별 블랙홀 시스템의 첫 관측은 2020년 1월 5일에 이루어졌다. LIGO와 Virgo는 중성자 별의 죽어가는 궤도의 마지막 30초에 의해 생성된 중력파 (시공간 구조의 왜곡)를 관찰했다. 블랙홀에 이어 불가피한 충돌이 뒤따랐다. 발견 이름은 GW200105이다.

놀랍게도 불과 10일 후 LIGO와 Virgo는 중성자 별과 블랙홀 사이의 두 번째 충돌에서 중력파를 감지했다. 이 이벤트의 이름은 GW200115이다. 두 충돌은 지구에 최초의 공룡이 나타나기 훨씬 전인 약 9억년 전에 일어났다.

중성자 별과 블랙홀은 우주에서 가장 극단적인 물체에 속한다. 그들은 거대한 죽은 별의 화석 유물이다. 태양보다 8배 이상 무거운 별이 연료가 떨어지면 초신성이라고 불리는 엄청난 폭발을 겪는다. 남은 것은 중성자 별이나 블랙홀일 수 있다.

중성자 별은 일반적으로 태양의 1.5배에서 2배 사이의 질량이지만 밀도가 너무 높아서 모든 질량이 도시 크기의 물체로 가득 차 있다. 이 밀도에서 원자는 더 이상 구조를 유지할 수 없으며 양성자와 중성자의 구성 요소인 자유 쿼크와 글루온의 흐름으로 분해된다.

블랙홀은 훨씬 더 극단적이다. 블랙홀의 크기에 대한 상한선은 없지만 모든 블랙홀에는 두 가지 공통점이 있다. 하나는 빛조차도 빠져나갈 수 없는 "사건 지평선"이라고하는 표면에서 돌아오지 않는 지점과 지점이다. 우리가 이해하는 물리 법칙이 무너지는 "특이점"이라고 불리는 그들의 중심에 있다.

블랙홀이 수수께끼라고 말하는 것은 공평하다. 21세기 물리학과 천문학의 성배 중 하나는 이 이상하고 극단적인 물체를 관찰함으로써 자연의 법칙에 대한 더 깊은 이해를 찾는 것이다.

새로운 유형의 스타 시스템

블랙홀 동반자를 공전하는 중성자 별은 오랫동안 존재하는 것으로 여겨져 왔다. LIGO와 Virgo는 10년 넘게 그들을 찾고 있었지만 지금까지는 찾기 힘들었다. 

그렇다면 왜 우리는 그러한 시스템을 하나가 아니라 두 개를 보았다고 확신할까?

LIGO와 Virgo가 중력파를 관찰할 때 우리 마음에 떠오르는 첫 번째 질문은 "그 원인은 무엇일까?"이다. 이를 알아 내기 위해 우리는 관측 데이터와 그 데이터를 그럴듯하게 설명할 수 있는 다양한 유형의 천문 현상에 대한 슈퍼 컴퓨터 시뮬레이션이라는 두 가지를 사용한다.

시뮬레이션을 실제 관찰과 비교함으로써 우리는 데이터와 가장 잘 일치하는 특성을 찾고 가능성이 있는 특성을 파악하고 가능성이 없는 특성을 배제한다.

첫 번째 발견(GW200105)에서 중력파의 가장 가능성이 높은 소스는 태양 질량의 약 8.9배에 달하는 물체와 태양 질량의 약 1.9배에 달하는 물체 사이의 마지막 몇 번의 궤도와 궁극적인 충돌이라고 판단했다. 태양 관련된 질량을 고려할 때 가장 그럴듯한 설명은 더 무거운 물체는 블랙홀이고 가벼운 물체는 중성자 별이라는 것이다.

마찬가지로, 두 번째 (GW200115)에서 가장 가능성이 높은 소스는 마지막 몇 개의 궤도와 1.5태양 질량 중성자 별과 5.7태양 질량 블랙홀의 충돌이라고 판단했다.

가벼운 물체가 중성자 별이라는 확실한 연기가 나는 총은 없으며 원칙적으로 매우 가벼운 블랙홀이 될 수 있다. 지금까지 가장 좋은 가설은 우리의 새로운 관측이 중성자 별과 블랙홀의 합병과 일치한다는 것이다.

스텔라 화석 사냥

우리의 발견에는 몇 가지 흥미로운 의미가 있다. 중성자 별-블랙홀 시스템을 통해 우리는 별의 진화 역사를 하나로 모을 수 있다. 중력파 천문학자는 폭발한 별의 유물을 사용하여 거대한 별이 어떻게 형성되고, 살고, 죽는 지 이해하는 항성 화석 사냥꾼과 같다. 

우리는 LIGO와 Virgo의 블랙홀 쌍과 중성자 별 쌍에 대한 관측을 통해 몇 년 동안이 작업을 해왔다. 새로 발견된 희귀 쌍은 각각 하나를 포함하고 있으며, 항성 화석 기록의 매혹적인 조각이다.

처음으로 우리는 중성자 별이 블랙홀과 합쳐지는 속도를 직접 측정했다. 우리는 매년 우주 전체에 이러한 충돌이 수만 또는 수십만 번 발생할 것이라고 생각한다. 더 많은 관찰을 통해 속도를 더 정확하게 측정할 것이다.

중성자 별을 먹어 치운 후에는 어떻게 될까? 이제 우리는 자연의 법칙을 11까지 보고 있다. 중성자 별이 블랙홀과 합쳐지면, 그들은 변형되어 지구에서 관찰되는 중력파에 그들의 이국적인 형태의 물질에 대한 정보를 각인한다.

이것은 중성자 별의 구성을 밝혀 낼 수 있으며, 이는 쿼크와 글루온이 극심한 압력과 밀도에서 어떻게 행동하는지 우리에게 알려준다. 우리가 발견한 또 다른 측면은 중력파 신호의 블랙홀에서 새로운 물리학의 힌트를 찾을 수 있지만 블랙홀의 이벤트 지평선 뒤에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알려주지 않는다.

LIGO와 Virgo는 감도를 더욱 높이기 위해 업그레이드한 후 2022년 중반에 관측을 재개할 때 중성자 별과 블랙홀 간의 충돌이 더 많이 발생한다. 앞으로 10년 동안 우리는 수천 개의 중력파 탐지를 축적할 것으로 예상한다.

시간이 지남에 따라 우리는 우주에서 가장 극단적이고 뚫을 수 없는 물체의 내부 작용을 이해하는 데 도움이 될 자연의 법칙을 모으기를 희망한다.

글쓴이: RORY SMITH/ Rory는 Monash University의 천체 물리학 강사이다. 그의 연구는 중력파를 사용하여 블랙홀과 중성자 별을 발견하고 이해하는 데 중점을 둔다.