마그네타는 어떻게 붕괴되는가
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-11-11 15:33:42
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블랙홀 붕괴로 '괴물 충격' 발생 및 감마선 폭발
마그네타는 매우 강한 자기장을 가지고 빠르게 회전하는 중성자별이다. 이들은 10억 테슬라 이상의 자속 밀도를 달성할 수 있다. 우주의 다른 어떤 물체도 그렇게 높은 자기 강도를 생성하지 않는다. 그러나 마그네타가 어떻게 형성되는지는 부분적으로만 이해되었다. 따라서 이렇게 강하게 자화된 중성자별은 특정 초신성에서 특히 무거운 헬륨별이나 두 개의 전임별의 상호작용이나 합병을 통해 형성될 수 있다.
특별한 경우는 두 개의 중성자별이 합쳐져 발생하는 마그네타이다. 짧은 시간 동안 이들은 빠르게 회전하고 극도로 자화된 "거대 중성자별", 즉 특히 거대한 마그네타를 형성한다. 이는 불안정하고 블랙홀로 붕괴된다. 이것은 일반적으로 밀리초 내에 발생한다. 하지만 그러한 마그네타가 더 오래 지속되는 경우도 있다.
먼저 붕괴하는 마그네타의 자기구를 살펴보다
캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 엘리아스 모스트(Elias Most)와 그의 동료들은 이제 그러한 마그네타가 붕괴할 때 어떤 일이 일어나는지 처음으로 더 자세히 재구성했다. 이를 위해 그들은 처음으로 자기장 세기가 1조 테슬라에 달하는 중성자별 자기권의 물리적 과정을 자세히 묘사하는 복잡한 시뮬레이션을 사용했다. “이것은 붕괴하는 마그네타의 자기권을 보여주는 최초의 자기유체역학 시뮬레이션이다”고 천체물리학자들은 말했다.
시뮬레이션에 따르면 마그네타가 블랙홀로 붕괴되면서 자기장도 안쪽으로 당겨지고 압축되는 것으로 나타났다. 극한의 압력과 자속 밀도 영역이 중앙에 생성되고 그 에너지는 외부로 방출된다. "이 내부 영역은 압력파를 주변 자기구로 발사하여 거의 빛의 속도로 전파된다"고 Most와 그의 팀은 말했다.
우주에서 가장 강한 자기 충격파
이 자기 충격파는 붕괴하는 마그네타의 플라즈마를 통과해 우주에서 가장 강력한 자기 충격파 중 하나인 "괴물 충격"을 생성한다고 팀은 설명했다. 단 1000분의 1초 동안 지속되는 이 단계에서는 중성자별의 자기권이 파괴되고 막대한 에너지가 방출된다. 이 에너지 중 일부는 플라즈마의 전자와 양전자를 가속시켜 폭발적으로 바깥쪽으로 돌진하게 한다.
이 폭발은 전자와 반입자 사이의 충돌을 일으켜 물질과 반물질이 서로를 소멸시키고 감마 방사선의 형태로 추가 에너지를 방출한다. “이로 인해 단 몇 밀리초 동안만 지속되는 감마선 폭발이 발생한다”고 천체물리학자들은 보고했다.
사건의 지평선은 종처럼 진동한다
또한 처음 1000분의 1초 내에 폭발 사건의 중심에 블랙홀이 형성된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 사건의 지평선은 붕괴로 인해 몇 밀리초 동안 계속해서 진동한다. 모스트와 그의 동료들은 "이 링다운은 최근 보고된 일부 감마선 폭발에서 준주기적 진동과의 연관성을 암시한다"고 썼다. 따라서 이러한 진동은 새로 형성된 블랙홀의 진동으로 인한 것일 수 있다.
그리고 또 다른 우주 현상은 마그네타의 붕괴와 관련될 수 있다: FRB(고속 전파 폭발)이다. 천문학자들은 이러한 매우 짧지만 극도로 강력한 "무선 섬광"이 마그네타에 의해 발생한다고 오랫동안 의심해 왔지만, 그 이유는 여전히 불분명했다. 이제 시뮬레이션은 이러한 별 잔해의 붕괴로 인해 이러한 무선 폭발 중 적어도 일부가 발생하고 있음을 시사한다. 그러나 모스트와 그의 동료들이 인정한 것처럼 무선 섬광이 어떻게 붕괴되는 마그네타의 플라즈마 껍질을 관통할 수 있는지는 여전히 불분명하다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2024; doi: 10.3847/2041-8213/ad7e1f)
출처: The Astrophysical Journal Letters
블랙홀 붕괴로 '괴물 충격' 발생 및 감마선 폭발
마그네타가 붕괴하는 방법
블랙홀 붕괴로 '괴물 충격' 발생 및 감마선 폭발
마그네타는 우주에서 가장 강한 자석이다. 천체물리학자들은 이제 처음으로 상세한 시뮬레이션을 사용하여 고에너지 중성자별이 블랙홀로 붕괴할 때 어떤 일이 일어나는지 재구성했다. 고에너지 중성자별의 붕괴가 어떻게 우주에서 가장 강력한 자기 충격파를 생성하여 물질과 반물질 입자가 충돌하는지 밝힌다. 천문학자들의 보고에 따르면 충격파와 엄청난 에너지로 인해 검은 사건의 지평선마저도 흔들릴 수 있다.
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| ▲ 마그네타가 붕괴하면 블랙홀이 생성된다. 그런데 이 붕괴는 정확히 어떻게 일어나는 걸까? © NASA Goddard Space Flight Center/ STAG Research Centre, Peter Hammond |
마그네타는 매우 강한 자기장을 가지고 빠르게 회전하는 중성자별이다. 이들은 10억 테슬라 이상의 자속 밀도를 달성할 수 있다. 우주의 다른 어떤 물체도 그렇게 높은 자기 강도를 생성하지 않는다. 그러나 마그네타가 어떻게 형성되는지는 부분적으로만 이해되었다. 따라서 이렇게 강하게 자화된 중성자별은 특정 초신성에서 특히 무거운 헬륨별이나 두 개의 전임별의 상호작용이나 합병을 통해 형성될 수 있다.
특별한 경우는 두 개의 중성자별이 합쳐져 발생하는 마그네타이다. 짧은 시간 동안 이들은 빠르게 회전하고 극도로 자화된 "거대 중성자별", 즉 특히 거대한 마그네타를 형성한다. 이는 불안정하고 블랙홀로 붕괴된다. 이것은 일반적으로 밀리초 내에 발생한다. 하지만 그러한 마그네타가 더 오래 지속되는 경우도 있다.
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| ▲ 마그네타는 매우 강한 자기장을 가지고 빠르게 회전하는 중성자별이다. © NASA 고다드 우주 비행 센터/Chris Smith(USRA/GESTAR) |
먼저 붕괴하는 마그네타의 자기구를 살펴보다
캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 엘리아스 모스트(Elias Most)와 그의 동료들은 이제 그러한 마그네타가 붕괴할 때 어떤 일이 일어나는지 처음으로 더 자세히 재구성했다. 이를 위해 그들은 처음으로 자기장 세기가 1조 테슬라에 달하는 중성자별 자기권의 물리적 과정을 자세히 묘사하는 복잡한 시뮬레이션을 사용했다. “이것은 붕괴하는 마그네타의 자기권을 보여주는 최초의 자기유체역학 시뮬레이션이다”고 천체물리학자들은 말했다.
시뮬레이션에 따르면 마그네타가 블랙홀로 붕괴되면서 자기장도 안쪽으로 당겨지고 압축되는 것으로 나타났다. 극한의 압력과 자속 밀도 영역이 중앙에 생성되고 그 에너지는 외부로 방출된다. "이 내부 영역은 압력파를 주변 자기구로 발사하여 거의 빛의 속도로 전파된다"고 Most와 그의 팀은 말했다.
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| ▲ 이 그래픽은 붕괴하는 마그네타의 자기권을 통과하는 충격파를 보여준다. © Most et al./ The Asphysical Journal Letters, CC-by 4.0 |
우주에서 가장 강한 자기 충격파
이 자기 충격파는 붕괴하는 마그네타의 플라즈마를 통과해 우주에서 가장 강력한 자기 충격파 중 하나인 "괴물 충격"을 생성한다고 팀은 설명했다. 단 1000분의 1초 동안 지속되는 이 단계에서는 중성자별의 자기권이 파괴되고 막대한 에너지가 방출된다. 이 에너지 중 일부는 플라즈마의 전자와 양전자를 가속시켜 폭발적으로 바깥쪽으로 돌진하게 한다.
이 폭발은 전자와 반입자 사이의 충돌을 일으켜 물질과 반물질이 서로를 소멸시키고 감마 방사선의 형태로 추가 에너지를 방출한다. “이로 인해 단 몇 밀리초 동안만 지속되는 감마선 폭발이 발생한다”고 천체물리학자들은 보고했다.
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| ▲ 초기 회전 ν = 900Hz인 중성자별의 붕괴 후 블랙홀(검은색 원)과 자기장선(회색)이 있는 적도 전류 시트의 근접 색상은 자기장 B. 스냅샷은 붕괴가 시작된 후 t = 0.67ms 시간에 촬영된다. (출처:관련논문 Monster Shocks, Gamma-Ray Bursts, and Black Hole Quasi-normal Modes from Neutron-star Collapse / © 2024. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.) |
사건의 지평선은 종처럼 진동한다
또한 처음 1000분의 1초 내에 폭발 사건의 중심에 블랙홀이 형성된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 사건의 지평선은 붕괴로 인해 몇 밀리초 동안 계속해서 진동한다. 모스트와 그의 동료들은 "이 링다운은 최근 보고된 일부 감마선 폭발에서 준주기적 진동과의 연관성을 암시한다"고 썼다. 따라서 이러한 진동은 새로 형성된 블랙홀의 진동으로 인한 것일 수 있다.
그리고 또 다른 우주 현상은 마그네타의 붕괴와 관련될 수 있다: FRB(고속 전파 폭발)이다. 천문학자들은 이러한 매우 짧지만 극도로 강력한 "무선 섬광"이 마그네타에 의해 발생한다고 오랫동안 의심해 왔지만, 그 이유는 여전히 불분명했다. 이제 시뮬레이션은 이러한 별 잔해의 붕괴로 인해 이러한 무선 폭발 중 적어도 일부가 발생하고 있음을 시사한다. 그러나 모스트와 그의 동료들이 인정한 것처럼 무선 섬광이 어떻게 붕괴되는 마그네타의 플라즈마 껍질을 관통할 수 있는지는 여전히 불분명하다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2024; doi: 10.3847/2041-8213/ad7e1f)
출처: The Astrophysical Journal Letters
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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