왜 별들은 밤하늘에서 신비롭게 사라지나요?

VTFS 243 바이너리 시스템의 기술적 인상: ESOL. 칼자다 CC BY 4.0

코펜하겐 대학의 천체 물리학자들은 밤하늘에서 별들이 갑자기 사라지는 신비한 현상을 설명하는 데 도움을 주고 있습니다. 특이한 쌍성계에 대한 그들의 연구는 거대한 별이 초신성 폭발 없이도 완전히 붕괴되어 블랙홀이 될 수 있다는 설득력 있는 증거를 제시했습니다.

어느 날 태양계 중심에 있는 별인 태양이 지구를 삼킬 때까지 팽창하기 시작할 것입니다. 그런 다음 결국에는 작고 조밀한 몸체로 수축될 때까지 점점 더 불안정해질 것입니다. 백색왜성.

그러나 태양의 질량이 약 8배 이상이라면 초신성 형태의 대규모 폭발로 폭발할 가능성이 높습니다. 그 붕괴는 엄청난 힘으로 에너지와 질량을 우주로 던진 후 엄청난 양의 에너지를 남기는 폭발을 일으킬 것입니다. 중성자별 아니면 그 여파로 블랙홀이 생길 수도 있습니다.

이것은 거대한 별이 어떻게 죽는지에 대한 기본 지식이지만, 별이 빛나는 하늘, 특히 이 별들의 장엄한 죽음에 대해서는 아직도 이해해야 할 것이 많습니다.

쌍성계 VFTS 243은 은하수 근처 왜소은하 “대마젤란운”에 위치하고 있습니다. 마젤란 구름은 은하수의 위성 은하입니다. 은하 중심을 공전하는 이 왜소은하는 남반구에서만 볼 수 있습니다. 여기에서는 칠레 파라날에 있는 유럽 남부 천문대의 초대형 망원경(VLT)의 보조 망원경 위에서 볼 수 있습니다. 출처: JC Muñoz/ESO

코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소의 천체 물리학자들의 새로운 연구는 매우 무거운 별이 초신성보다 훨씬 더 큰 은밀함과 비밀을 겪을 수 있다는 가장 강력한 증거를 제공합니다. 실제로, 그들의 연구에 따르면, 질량이 충분하면 별의 중력이 너무 강해서 별이 죽어도 폭발이 일어나지 않을 수 있습니다. 또는 별이 완전한 붕괴를 겪을 수도 있습니다.

“우리는 별의 핵이 일생의 마지막 단계에서 일어나는 거대한 별들처럼 자체 무게로 인해 붕괴될 수 있다고 믿습니다. 그러나 붕괴가 은하계보다 빛나는 밝은 초신성 폭발로 끝나는 대신, 별들은 질량의 8배 이상입니다. 존재할 것으로 예상된다.” 태양, 별이 별이 될 때까지 붕괴는 계속된다. 블랙홀“이 연구가 시작되었을 때 Niels Bohr Institute의 박사후 연구원이었던 제1저자 Alejandro Vigna-Gomez에 대해 설명합니다.

사실과 오해: 사라지는 별

현대에는 이에 대한 많은 관찰이 있었다. 설명할 수 없이 사라지는 별들.

“아무것도 아닌 것에 관한 설문조사요.” 천체물리학자 크리스 코차넥(Chris Kochanek)이 이끄는 이는 사라지는 별과 그 사라진 이유를 적극적으로 찾는 연구 노력의 한 예이다.

호기심이 많은 독자는 역사적 설명을 자세히 알아볼 수도 있습니다. 이는 종종 초신성 시나리오와 일치하게 갑자기 밝은 별이 사라지는 것과 관련이 있습니다. 그러나 일곱 자매로 알려진 플레이아데스 성단과 관련된 그리스 신화와 같이 갑자기 사라지는 별에 관한 다른 이야기도 있습니다. 플레이아데스 신화는 거인 아틀라스와 님프 플레이오네의 일곱 딸을 묘사합니다. 전설에 따르면, 그들의 딸 중 한 명이 인간과 결혼하여 숨어 지냈는데, 이는 우리가 왜 눈으로만 볼 수 있는지에 대한 매우 비과학적이지만 아름다운 설명을 제공합니다. 플레이아데스의 여섯 별.

이 발견은 최근 천문학자들의 관심을 불러일으킨 별이 사라지는 현상과 관련이 있으며, 이러한 현상에 대한 명확한 예와 합리적인 과학적 설명을 제공할 수 있습니다.

“완전히 붕괴되는 눈에 보이는 별을 서서 바라보면, 시간이 지나면 별이 갑자기 소멸되어 하늘에서 사라지는 것을 보는 것과 같을 것입니다. 밤하늘에 밝은 초신성은 없다 Alejandro Vigna-Gómez는 말합니다.

VTFS 243이 위치한 타란툴라 성운의 웹 우주 망원경에서 본 모습. 이미지 제공: NASA, ESA, CSA 및 STScI

폭발 흔적도 없는 특이한 항성계

이번 발견은 VFTS 243이라고 불리는 우리 은하의 가장자리에 있는 특이한 쌍성계의 최근 관찰에 의해 촉발되었습니다. 여기에는 거대한 별과 우리 태양보다 대략 10배 더 큰 블랙홀이 서로 공전하고 있습니다.

과학자들은 그러한 쌍성계가 우주에 존재한다는 것을 알고 있었습니다. 은하수 수십 년 동안 별은 블랙홀로 변했습니다. 그러나 최근 대마젤란운의 은하수 너머에서 발견된 VFTS 243은 정말 특별합니다.

사실: 블랙홀

블랙홀에서는 빛조차도 탈출할 수 없습니다. 따라서 직접적으로 관찰할 수는 없습니다. 그러나 일부 블랙홀은 그 주위를 도는 가스에 의해 방출되는 많은 양의 에너지로 인해 인식될 수 있습니다. VFTS 243의 경우와 같은 다른 것들은 궤도를 도는 별에 미치는 영향으로 관찰할 수 있습니다.

일반적으로 천문학자들은 블랙홀에는 세 가지 유형이 있다고 생각합니다.

VFTS 243에 있는 것과 같은 항성 블랙홀은 태양 질량의 8배가 넘는 질량을 가진 별이 붕괴할 때 형성됩니다. 과학자들은 우리 은하계에만 1억 개가 있을 수 있다고 믿습니다.

태양 질량의 10만~100억 배에 달하는 초대질량 블랙홀은 거의 모든 은하의 중심에 존재하는 것으로 생각됩니다. 궁수자리 A*는 우리 은하계의 중심에 있는 초대질량 블랙홀입니다.

태양 질량의 100~100,000배에 달하는 중간질량 블랙홀(IMBH)은 오랫동안 잃어버린 고리였습니다. 최근에는 믿을 만한 후보들이 많이 등장했습니다.

아직 발견되지 않은 다른 유형의 블랙홀을 설명하는 이론도 있습니다. 원시 블랙홀이라고 불리는 이 구멍 중 하나는 우주가 시작될 때 형성되었을 것으로 추정되며 이론적으로는 미세한 것일 수 있습니다.

“일반적으로 항성계의 초신성 사건은 발생한 후 다양한 방식으로 측정할 수 있습니다. 그러나 VFTS 243에 블랙홀로 붕괴된 별이 포함되어 있다는 사실에도 불구하고 VFTS 243에서는 폭발의 흔적이 전혀 발견되지 않습니다. “별이 블랙홀로 붕괴된 이후로 시스템의 궤도는 거의 변하지 않았습니다.”라고 Alejandro Vigna-Gomez는 말합니다.

연구자들은 과거에 초신성 폭발을 경험한 항성계에서 예상할 수 있는 일련의 징후에 대한 관측 데이터를 분석했습니다. 일반적으로 그들은 그러한 사건의 증거가 단순하고 설득력이 없다고 생각합니다.

이 시스템은 궤도 물체의 가속이라는 의미 있는 “탄생 킥”의 징후를 보이지 않습니다. 또한 이 별은 매우 대칭적이며 궤도가 거의 완벽하게 원형이며, 이전 별의 핵 붕괴 동안 에너지 방출의 잔여 징후는 완전한 붕괴와 일치하는 에너지 유형을 나타냅니다.

이번 연구에 참여한 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institute)의 아이린 탐보라(Irene Tambora) 교수는 “우리의 분석은 VFTS 243의 블랙홀이 주로 중성미자에 의해 에너지 손실과 함께 즉각적으로 형성되었을 가능성이 높다는 사실을 명확하게 지적합니다.”라고 말했습니다.

미래 연구를 위한 참고 시스템

Tambora 교수에 따르면 VFTS 243은 다양한 천체 물리학 이론과 모델 계산을 실제 관측과 비교할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 그녀는 항성계가 별의 진화와 붕괴를 연구하는 데 중요할 것으로 기대하고 있습니다.

“우리의 결과는 VFTS 243이 지금까지 우리 모델이 보여준 초신성 폭발이 실패할 수 있는 완전한 붕괴를 통해 형성된 항성 블랙홀 이론 중 가장 관측 가능한 사례임을 강조합니다. 교수는 “우리는 이것이 “이 시스템이 별의 진화와 붕괴에 대한 미래 연구를 위한 중요한 벤치마크 역할을 할 것”이라고 확신합니다.

추가 정보: “탄생킥” 누락 및 기타 초신성 징후(누락)

‘탄생킥’은 존재하지 않는다

초신성의 폭력적인 힘은 폭발 중 물질의 비대칭 방출로 인해 새로 태어난 중성자별이나 남겨진 블랙홀에 직접적인 영향을 미칩니다. 이것이 바로 연구자들이 ‘탄생킥’이라고 부르는 것입니다. 이 발차기는 압축된 몸체를 가속시킵니다. 탄생의 시작은 일반적으로 중성자별에 초당 100~1,000km의 측정 가능한 속도를 제공합니다. 블랙홀의 경우 속도는 더 낮을 것으로 예상되지만 여전히 상당한 수준입니다.

VFTS 243의 블랙홀은 약 4km/s로 가속된 것으로 나타나기 때문에 초신성 폭발처럼 예상되는 큰 탄생의 흔적을 보이지 않습니다.

마찬가지로, 항성계 궤도의 대칭성은 일반적으로 발생하는 물질의 분출로 인해 격렬한 초신성 폭발의 충격을 느꼈다는 징후를 보여줍니다. 대신, 연구자들은 대칭성을 발견했습니다.

Alejandro Vigna Gomez는 “VFTS의 궤도는 거의 원형이며 우리의 분석에 따르면 붕괴 중에 심각한 비대칭 징후가 없음을 나타냅니다.”라고 말했습니다.

에너지 폭발

연구팀은 쌍성계의 궤도를 분석해 블랙홀 형성 과정에서 방출되는 질량과 에너지의 양도 계산할 수 있었다.

그들의 추정은 별 붕괴 중에 발생한 작은 반동이 중성자와 양성자를 포함하는 중입자 물질에 ​​의한 것이 아니라 소위 중성미자에 의한 것이라는 시나리오에 적합합니다. 중성미자는 질량이 매우 적고 상호작용이 매우 약합니다. 이는 시스템이 폭발을 겪지 않았다는 또 다른 표시입니다.

참고: Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar의 “이진 블랙홀 VFTS 243에서 발생하는 중성미자에 대한 제약” 그리고 토마스 M.. 토레스, 2024년 5월 9일, 실제 검토 편지.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

다음 연구자들이 연구에 기여했습니다.

알레한드로 비냐-고메즈, 아이린 탐보라, 한스 토마스 얀카, 다니엘 크레스, 라인홀드 윌콕스, 엘리아 만델, 마테오 렌조, 톰 와그, 줄리아 보덴스타이너, 토머 셰나, 토마스 M. 토레스

연구원들은 여러 연구 기관에 속해 있습니다.

• 코펜하겐 대학교 닐스 보어 연구소 – 국제 아카데미 및 다크
• 독일 가르힝(Garching) 막스플랑크 천체물리학연구소
• 벨기에 루벤 루벤 대학교 천문학 연구소
• 호주 클레이튼 모나쉬 대학교 물리천문학부
• 중력파 탐지를 위한 ARC 우수 센터, Osgraph, 호주
• 미국 뉴욕 플랫아이언 연구소 전산천체물리학센터
• 미국 투산 애리조나 대학교 청지기 천문대
• 천문학과, 워싱턴대학교미국 시애틀
• 뮌헨 공과대학, TUM 자연과학부, 물리학과, 가르힝, 독일
• 유럽 ​​남부 천문대, 독일 가르힝
• 이스라엘 텔아비브 텔아비브대학교 물리천문학부
• 올보르 대학교, 올보르, 덴마크