(An artist’s impression of the system assuming that the massive companion star is a black hole. The brightest background star is its orbital companion, the radio pulsar PSR J0514-4002E. The two stars are separated by 8 million km and circle each other every seven days. Credit: Daniëlle Futselaar (artsource.nl))
(Potential formation history of the radio pulsar NGC 1851E and its exotic companion star Credit: Thomas Tauris (Aalborg University / MPIfR))
과학자들이 지금까지 관측된 가장 무거운 중성자별일수도 있고 아니면 가장 가벼운 블랙홀일수도 있는 미스터리 천체를 발견했습니다. 영국 맨체스터 대학과 독일 막스 플랑크 연구소의 과학자들은 MeerKAT 전파 망원경을 이용해 지구에서 4만 광년 떨어진 구상 성단인 NGC 1851를 관측했습니다.
구상 성단은 나이든 별 여러 개가 중력으로 묶여 있는 천체로 수명이 다한 백색왜성이나 중성자별이 쉽게 쌍성계를 이룰 수 있습니다. 이 가운데 중성자별은 자전 속도가 매우 빠르고 규칙적으로 에너지를 방출하기 때문에 더 쉽게 관측할 수 있습니다. 특히 1초 안에 여러 번 자전하는 밀리세컨드 펄서는 여러 가지 현상을 관측할 수 있어 과학자들에게 중요한 관측 대상입니다.
연구팀은 NGC 1851에서 자전 속도가 초당 170회인 밀리세컨드 펄서를 발견했습니다. 하나의 원자핵이나 다를 바 없는 중성자별의 강력한 중력이 아니라면 분해되고 말 속도입니다. 과학자들은 규칙적이지만, 빠른 펄서의 에너지 방출을 통해 동반성이 있는 경우 정확한 질량과 궤도를 계산할 수 있습니다.
펄서도 기본적으로 강한 중력을 지닌 중성자별인 만큼 동반성을 끌어오거나 혹은 본래 부터 동반성이 있는 경우가 드물지 않습니다. 그런데 NGC 1851E의 동반성의 질량을 확인한 과학자들은 깜짝 놀라지 않을 수 없었습니다. 그 질량이 태양의 2.09배에서 2.71배 사이로 지금까지 알려진 중성자별 가운데 가장 무거웠기 때문입니다. 그리고 블랙홀이 될 수 있는 질량 한계선에 가까운 것으로 추정되고 있습니다.
과학자들은 중성자별이 한 점으로 수축해 블랙홀이 될 수 있는 임계 질량이 태양 질량의 2.2배부터 시작된다고 보고 있습니다. 하지만 관측된 대부분의 항성 질량 블랙홀은 태양 질량의 5배부터 시작됩니다. 태양 질량의 2-5배 사이의 갭이 왜 존재하는지 아직 설명하지 못하고 있는데, 여기에 해당되는 천체가 발견된 셈입니다.
연구팀은 이런 독특한 천체가 생성된 과정을 다음과 같이 설명했습니다. 우선 두 개의 중성자별이 합쳐져 블랙홀 혹은 더 큰 중성자별을 형성한 후 펄서 + 백색왜성 쌍성계와 마주쳐 중력에 의해 동반성을 빼내고 펄서 + 중성자별/블랙홀 쌍성계를 만들었다는 것입니다. 별의 밀도가 높은 구상성단이니까 가능한 시나리오입니다.
(A zoom into the globular cluster NGC 1851 followed by an orbital simulation showing the original pulsar - white dwarf binary being disrupted by the arrival of a massive third body of unknown nature. The new arrival kicks the white dwarf out of orbit and captures the pulsar for itself, forming a new binary system with a pulsar in orbit around, most likely, either a light black hole or a supermassive neutron star. Credit: OzGrav, Swinburne University of Technology)
물론 아직 이 천체의 정확한 정체를 모르기 때문에 후속 관측을 통해 그 정체를 밝히는 일이 무엇보다 중요합니다. NGC 1851E에 왜 블랙홀과 중성자별의 질량 간극이 존재하는지, 중성자별에서 블랙홀로 붕괴하는 과정이 어떻게 일어나는지 등 과학자들이 아직 알지 못하는 질문에 대한 답이 여기 숨어 있을지도 모릅니다.
참고
https://phys.org/news/2024-01-lightest-black-hole-heaviest-neutron.html
Ewan D. Barr et al, A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adg3005. www.science.org/doi/10.1126/science.adg3005
Maya Fishbach, Mystery in the "mass gap", Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn1869 , www.science.org/doi/10.1126/science.adn1869
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