| 중간질량 블랙홀 후보 천체 HLX-1의 폭발의 비밀 탐구 | ||
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 우주관측에서 블랙홀은 두 종류의 극단적인 질량을 갖고 있다. 한 종류는 큰 항성이 사망하고 붕괴하여 형성된 태양 질량의 수배에서 수십배가 되는 항성 질량 블랙홀(stellar mass black hole)고 다른 한 종류는 항성계 중심에 있는 태양 질량의 수만에서 수십억배에 달하는 초대질량 블랙홀(Super massive black hole)이다. 이 두 종류의 극단적 질량 사이에 있는 블랙홀을 중간질량 블랙홀이라 하며 대략 태양 질량의 백에서 십만배가 되는 질량을 가지고 있다. 이러한 블랙홀의 존재 여부는 아직 밝혀지지 않았지만 중간질량 블랙홀의 존재여부는 초대질량 블랙홀의 형성 원인에 대해 중대한 의미가 있으며 십여 년간 많은 천체가 중간질량 블랙홀의 후보로 선정되었지만 지금까지 이를 입증할 충분한 증거가 없다. 극도로 밝은 X선 소스는 중간질량 블랙홀 후보 천체이며 이중 광도가 가장 높은 슈퍼 밝은 X선소스 ESO 243-49 HLX-1이 가장 유력한 후보이다. 최근, 중국과학원 상하이(上海) 천문대의 위원페이(余文飞) 연구원이 이끄는 연구팀은 슈퍼 밝은 X선소스에 대한 추가적인 연구를 진행하였으며 2009년부터 2015년까지 HLX-1의 6차례 폭발에 대한 X선 위성 Swift의 모니터링 데이터를 분석하고 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성(binary star)과의 비교를 통하여 중간질량 블랙홀로서의 가능성을 상세하게 논술하였다. 해당 연구 성과는 천문학 핵심 저널 《Astrophysics Journal》에 발표되었다. 2009년, 툴루즈 대학(University of Toulouse)의 Sean Farrell이 이끄는 연구팀은 유럽우주국(ESA)의 XMM-Newton X선 망원경의 데이터에서 HLX-1을 발견하였다. HLX-1은 현재 광도가 가장 높은 슈퍼 밝은 X선소스이다. 항성 질량 블랙홀은 이렇게 높은 X선 광도(~1 x 1042ergs-1, 0.2~10.0 keV)를 생성할 수 없을 뿐만 아니라 HLX-1은 은하 ESO 243-49의 변두리에 자리 잡고 있기에 은하 중심의 초질량 블랙홀이 아니라는 것을 확정하고 HLX-1을 중간질량 블랙홀의 가장 유력한 후보로 선정하였다. 만약 HLX-1이 중간질량 블랙홀을 포함하고 있다면 블랙홀의 형성과 진화에 대해 여러 가지 추측이 존재한다. 기존 연구 성과는 HLX-1이 왜소은하(dwarf galaxies)의 중심에 있고 해당 은하는 큰 은하 ESO 243-49와 충돌하고 병합하였으며 큰 은하가 왜소은하의 항성을 삼키면서 중앙 블랙홀 HLX-1이 노출되었다고 추측하였다. 2012년, Sean Farrell은 허블 우주 망원경으로 HLX-1 부근에 대량의 젊은 푸른 항성의 존재 가능성을 관측하였으며 이러한 발견은 상술한 관점의 가능성을 암시하였다. HLX-1에 대한 X선 밴드의 모니터링 과정에서 HLX-1은 주기성적인 X선 폭발이 있었고 대략 1년에 한 번 폭발하며 약 10일 정도의 폭발 상승 시기와 200일 정도의 폭발 하강 시기를 거친 다음 휴면 상태에 진입한다. HLX-1의 폭발은 이미 밝혀진 대다수 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성 시스템과 아주 비슷하지만 이들의 폭발은 유입 원반의 불안정성에 의해 발생하고 폭발의 시간 척도는 점성 시간 척도에 의해 결정된다. 기존 연구에 따르면 만약 HLX-1이 중간질량 블랙홀을 포함하고 있다면 점성 시간 척도는 대략 100년 규모지만 관측한 폭발은 100일 규모로 나타났다. 이러한 모순으로 하여 X선의 폭발은 간단하게 원반 유입 모형의 불안정성으로 해석할 수 없다. 또 다른 해석으로는 항성이 블랙홀 주위를 타원 궤도로 선회하며 블랙홀에 접근할 때 물질이 블랙홀에 유입됨으로써 폭발을 일으킨다고 인정하고 있다. 폭발이 증가함에 따라 폭발의 시간 간격이 주기성적이 아니라는 것을 발견하고 해당 모델을 부정하였다. HLX-1의 폭발 원인은 지금까지도 풀리지 않는 수수께끼로 남아있다. 위원페이(연구팀은 2009년부터 2015년까지 HLX-1의 6차례 폭발에 대한 X선 위성 Swift의 모니터링 데이터를 분석을 통하여 HLX-1의 일부 폭발의 성질은(상승 시간 척도, 하강 시간 척도, 지속 시간 척도, 방출한 총 에너지 등) 시간에 따라 진화 추세를 나타냈으며 또한 시간이 흐름에 따라 HLX-1은 폭발 기간이 점차 짧아지고 휴면 기간이 점차 길어진다는 것을 발견하였다. 이러한 발견은 HLX-1의 폭발 근원을 밝히는 데 도움을 준다. 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성에 관한 시스템 연구 결과를 토대로 HLX-1의 폭발 성질과 정량 비교를 진행하였다. 해당 연구는 HLX-1의 폭발 윤곽, 시간 척도 및 폭발 기간 X선 에너지 스펙트럼 진화 등 성질은 기존의 대다수 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성 시스템과 아주 비슷하다는 것을 더한층 입증하였다. 각 폭발 기간에서 HLX-1은 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성과 비슷한 X선 에너지 스펙트럼 진화를 겪었으며 또한, 상태 전이가 발생한 광도, 폭발 상승 시기의 광도 변화율 및 폭발 피크값 광도 사이가 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성 시스템의 근사 선형 관계와 적합하다는 것을 발견하였다. 기존 연구에서 HLX-1에서의 에너지 스펙트럼 상태 전이 기간에 간헐적 분사를 동반한다는 것을 발견하였다. 이러한 유사성은 HLX-1이 확대된 블랙홀 X선 쌍성 시스템일 수 있고 항성 질량 블랙홀이 아니라 태양 질량의 수천 배에 달하는 블랙홀이라는 것을 나타낸다. 정량 비교 결과에 따르면 폭발 기간의 여러 가지 특징 시간 척도는 은하계의 항성 질량 블랙홀 X선 쌍성과 비슷하고 이러한 시간 척도는 유입 원반의 크기와 관련되며 일반적으로 유입 원반의 크기는 블랙홀의 질량과 연관된다. 이는 해석하기 어려운 모순을 조성하고 있다. 한 방면으로 폭발의 각 시간 척도에 의하면 HLX-1 응축 원반의 척도는 항성 질량 블랙홀과 같은 등급에 있어야 하지만 다른 한 방면으로 아주 높은 X선 광도는 유입률과 블랙홀 질량(유입 원반의 척도와 연관)은 모두 은하계의 항성 질량 블랙홀보다 약 3개 등급이 높아야 한다. 이러한 모순은 HLX-1이 중간질량 블랙홀 후보로서의 특수 성질을 돌출하게 보여주고 있다. 정보출처 : http://e.tech.163.com/docs/5/2016033110/BJFSFEV4051191KO.html |
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