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우주 이야기 1108 - 블랙홀에서 나온 유령 입자



 (Smoking gun: After the supermassive black hole tore the star apart, roughly half of the star debris was flung back out into space, while the remainder formed a glowing accretion disc around the black hole. The system shone brightly across many wavelengths and is thought to have produced energetic, jet-like outflows perpendicular to the accretion disc. A central, powerful engine near the accretion disc spewed out these fast subatomic particles. Credit: DESY, Science Communication Lab)





(Heart of darkness: A view of the accretion disc around the supermassive black hole, with jet-like structures flowing away from the disc. The extreme mass of the black hole bends spacetime, allowing the far side of the accretion disc to be seen as an image above and below the black hole. Credit: DESY, Science Communication Lab)



 과학자들이 자연적인 입자 가속기라고 할 수 있는 블랙홀의 제트에서 유령 입자로 불리는 뉴트리노의 존재를 확인했습니다. 은하계 중심에 있는 거대 질량 블랙홀은 태양 질량의 수백 만배 이상의 거대 블랙홀로 강력한 중력을 이용해 별 하나를 한 번에 집어삼킬 수 있습니다. 하지만 모든 물질이 사상의 지평면 아래로 사라지는 것이 아니라 사실 절반 정도만 흡수되고 나머지는 제트의 형태로 다시 방출됩니다. 블랙홀의 강한 중력과 자기장에 의해 형성되는 제트는 양 축으로 아원자 입자를 광속에 가까운 속도로 방출합니다. 



 독일 전자 싱크로트론 (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY) 연구소의 과학자들은 2MASX J20570298+1412165이라는 은하 중심 블랙홀에서 별이 거대 질량 블랙홀에 흡수되는 이벤트인 TDE (tidal disruption event)를 관측했습니다. 


 

 연구의 리더인 로버트 스테인 (Robert Stein)에 따르면 이 블랙홀은 우리 은하 중심 블랙홀 (400만배)보다 더 무거운 태양 질량의 3000만배의 질량을 지니고 있습니다. 이 정도 블랙홀이라면 어지간한 별 하나도 간식 거리에 지나지 않을 것입니다. 하지만 간식을 먹을 때라도 평소보다 많은 물질이 흡수되기 때문에 블랙홀의 제트와 블랙홀 주변 강착 원반이 평소보다 더 밝아지게 됩니다. 



 연구팀은 캘리포니아 팔로마 산에 있는 Zwicky Transient Facility (ZTF)를 이용해서 2019년 4월 9일 이 현상을 관측했습니다. 그리고 6개월 후인 2019년 10월 1일 남극에 있는 뉴트리노 (중성미자) 검출 장비인 아이스큐브 뉴트리노 검출기 (IceCube neutrino detector)이 매우 강력한 에너지를 지닌 뉴트리노를 확인했습니다. 이 뉴트리노는 블랙홀의 제트에서 엄청난 속도로 가속된 것으로 100TeV의 에너지를 지니고 있습니다. 이는 거대 강입자 충돌기 (LHC)가 낼 수 있는 에너지의 10배 수준입니다. 



 이번 연구는 TDE에서 예상할 수 있었던 고에너지 뉴트리노가 처음 관측되었다는 점에서 의의가 있습니다. 뉴트리노가 천연 입자 가속기라고 할 수 있는 블랙홀의 제트에서 가속되어 고에너지 입자 형태로 지구에 도달할 수 있다는 것은 이론적으로는 예측하기 쉽지만, 실제 관측은 매우 어렵습니다. 대부분의 뉴트리노는 물질과 거의 반응을 하지 않아 지구를 그대로 관통해 지나가기 때문입니다. 최신 검출 장비의 도움이 아니었다면 이번에도 관측에 성공하지 못했을 것입니다. 



 연구팀은 이번 관측이 빙산에 일각에 불과하다고 생각하고 있습니다. ZTE를 이용해서 2018년 이후 발견된 TDE만 30건에 이르기 때문입니다. 고에너지 뉴트리노를 검출할 수 있다면 ZTE나 다른 망원경을 통해 관측하지 못한 TDE도 관측이 가능할 것입니다. 뉴트리노가 워낙 다른 물질과 반응을 하지 않기 때문에 두꺼운 먼지나 다른 별도 쉽게 통과할 수 있기 때문입니다. 과학자들이 뉴트리노 천문학에 많은 기대를 하는 이유입니다. 



 여담이지만, TDE 때 블랙홀로 흡수되는 가스와 강착원반, 그리고 제트, 블랙홀의 사상의 지평면이 CG를 통해서 매우 아름답고 세련되게 묘사된 점도 눈길이 갑니다. 



 참고 



https://phys.org/news/2021-02-ghost-particle-shredded-star-reveals.html


 A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8 , www.nature.com/articles/10.1038/s41550-020-01295-8


 
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