스페이스 클럽 XRISM은 바람이 많이 부는 중성자별을 관측하고, 찬드라는 빛나는 퀘이사를 연구합니다.

[우주센터]

과학자들은 일본 우주항공연구개발기구(JAXA), 유럽우주국(ESA), NASA X선 이미징 및 분광학 임무(XRISM)의 합동 임무를 사용하여 중성자별에서 오는 밀도가 높지만 놀라울 정도로 느린 바람을 발견했습니다. 이 발견은 초거대 블랙홀을 둘러싼 물질에서 불어오는 유사한 바람에 대한 새로운 시각을 제시합니다.

또 다른 팀은 NASA의 찬드라 X선 천문대를 사용하여 극단적인 속도로 성장하는 고대 초거대 블랙홀을 연구했습니다. 거인은 초기 우주의 가장 수수께끼 같은 물체에 대한 과학적 미스터리에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

XRISM 연구 중성자별 GX13+1

2023년 9월 6일에 출시된 XRISM은 우주 전체에 방출되는 X선 신호를 연구합니다. 2024년 2월 25일, 지구에서 약 23,000광년 떨어진 곳에 위치한 GX13+1로 알려진 중성자별을 겨냥했습니다. 중성자별은 초거성의 핵이 붕괴되어 물질을 원자핵의 밀도로 압축한 후 남겨진 조밀한 잔해입니다.

GX13+1은 중성자별로 물질을 끊임없이 빨아들이는 거대한 동반성과 쌍성을 형성합니다. 물질이 밀도가 높은 물체를 향해 나선형으로 이동함에 따라 소위 강착 원반을 형성하여 XRISM에서 연구한 X선 신호를 생성합니다.

망원경은 X선 신호의 스펙트럼을 분석하기 위해 Resolve 장비를 사용하여 물체를 관찰했습니다. Resolve의 에너지 분해능은 GX13+1과 같은 바이너리에 사용된 이전 기기의 에너지 분해능을 능가하여 찬드라의 HETGS(High-Energy Transmission Grating Spectrometer)를 4배 초과합니다.

XRISM, 그 도구 및 목표를 자세히 설명하는 인포그래픽. (제공: ESA)

ESA XRISM 프로젝트 과학자 Matteo Guainazzi는 "데이터에서 풍부한 세부 사항을 처음 보았을 때 판도를 바꾸는 결과를 목격하고 있다고 느꼈습니다"라고 말했습니다. "우리 중 많은 사람들에게 그것은 우리가 수십 년 동안 쫓아온 꿈의 실현이었습니다."

연구팀은 이미 이 중성자별을 연구할 계획을 세웠지만 관측 시기는 우연한 것으로 판명되었습니다. XRISM 관측 며칠 전, GX13+1은 갑자기 훨씬 밝아졌습니다.

참조

• XRISM 업데이트
• 찬드라 업데이트
• 우주 과학 보도
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"우리가 시도했다면 이 일을 계획할 수 없었을 것입니다"라고 영국 더럼 대학의 연구 책임자인 Chris Done은 말했습니다. "시스템은 최대 방사선 출력의 약 절반에서 훨씬 더 강렬한 것으로 바뀌었고 이전에 본 것보다 더 강한 바람을 일으켰습니다."

중성자별이 켜졌을 때 소위 에딩턴 한계를 초과했습니다. 물질이 물체 속으로 떨어지면 에너지가 방출되고, 더 많은 물질이 떨어질수록 방출되는 에너지의 양도 증가합니다. 이 에너지는 떨어지는 물질을 밀어내어 물질이 물체에 떨어질 수 있는 속도를 제한하여 에딩턴 한계를 만듭니다.

에딩턴 한계의 강렬한 방사선은 중성자별을 둘러싼 물질을 날려버려 우주풍을 생성합니다. 이 현상은 초거대 블랙홀 주변에서도 관찰되며, GX13+1과 같은 일부는 에딩턴 한계를 능가하는 것으로 보입니다.

GX13+1이 동반성을 먹으면서 바람을 방출하는 모습을 묘사한 그림입니다. (제공: ESA)

유사성에도 불구하고 초거대 질량 블랙홀은 GX13+1에서 관측된 것보다 훨씬 빠르게 바람을 생성합니다. XRISM을 사용하여 연구팀은 바람이 약 100만 km/h로 이동하는 반면, 초거대 질량 블랙홀에서 나오는 바람은 빛의 속도보다 최대 30%인 200배 이상 빠른 속도에 도달할 수 있음을 발견했습니다.

"이 바람이 얼마나 '느린'지, 얼마나 두드운지 여전히 놀랍습니다. 마치 우리를 향해 굴러오는 안개 둑을 통해 태양을 바라보는 것과 같습니다. 안개가 짙으면 모든 것이 어두워집니다."

XRISM 연구는 2025년 9월 17일 네이처 저널에 게재되었습니다.

찬드라 연구 퀘이사 RACS J0320−35

한편 또 다른 팀은 찬드라를 사용하여 에딩턴 한계를 초과하는 속도로 성장하는 초거대 블랙홀을 연구했습니다. RACS J032021.44−352104.1(RACS J0320−35)으로 알려진 이 물체는 128억 광년 떨어진 곳에 위치해 있어 빅뱅 이후 불과 9억 2천만 년 만에 찬드라가 측정한 신호를 방출할 정도로 멀리 떨어져 있습니다. 거대한 블랙홀은 태양 질량의 약 10억 배로 들어오며 그 시대의 다른 어떤 블랙홀보다 더 많은 X선을 생성합니다.

블랙홀은 활성 은하핵(AGN)에 위치하여 퀘이사로 알려진 물체를 형성합니다. 은하핵의 물질이 블랙홀에 떨어지면서 엄청난 양의 에너지를 방출하여 주변 은하보다 훨씬 더 밝은 신호를 생성합니다.

초거대 블랙홀로 구동되는 퀘이사의 그림. 왼쪽 상단: RACS J0320−35에 대한 찬드라의 관찰. (제공: X-ray: NASA/CXC/INAF-Brera/L. Ighina et al.; 삽화: NASA/CXC/SAO/M. Weiss; 이미지 처리: NASA/CXC/SAO/N. Wolk)

천문학자들은 2023년 7월과 12월에 찬드라를 사용하여 퀘이사를 관측했습니다. 그들은 또한 인도의 거대 미터파 전파 망원경, 호주 망원경 소형 어레이 및 호주 긴 베이스라인 어레이의 전파 관측을 사용하여 물체를 연구했습니다. 관측 결과 이 물체는 에딩턴 한계의 2.4배로 성장하는 것으로 나타났습니다.

"이 블랙홀이 비약적으로 성장하는 것을 보는 것은 약간 충격적이었습니다"라고 천체물리학 센터의 연구 책임자인 Luca Ighina는 말했습니다. 매사추세츠 주 케임브리지의 하버드 & 스미소니언.

RACS J0320−35는 무선 신호와 X선 신호 모두에서 밝지만 X선 신호가 얼마나 "부드러운지" 주로 저주파 X선을 방출하는 것이 두드러집니다. 그러나 연구팀은 이것이 실제로 얼마나 흔하거나 흔하지 않은지 결정하기 위해 퀘이사에 대한 더 많은 X선 관측이 필요하다고 지적합니다.

천문학자들이 RACS J0320−35와 같은 블랙홀을 연구함으로써 답하고자 하는 질문 중 하나는 이 초거대 질량 블랙홀이 초기 우주에서 어떻게 형성되었는지입니다.

"블랙홀의 질량을 알고 얼마나 빨리 성장하는지 알아냄으로써 우리는 블랙홀이 태어날 때 얼마나 거슬렸는지 거꾸로 추정할 수 있습니다"라고 이탈리아 INAF-Osservatorio Astronomico di Brera의 공동 저자인 Alberto Moretti는 말했습니다. "이 계산을 통해 우리는 이제 블랙홀이 어떻게 태어나는지에 대한 다양한 아이디어를 테스트할 수 있습니다."

제임스 웹 우주 망원경이 관측한 작은 빨간 점. (제공: NASA/ESA/CSA/STScI/D. Kocevski(콜비 칼리지))

더욱이 연구팀은 RACS J0320−35가 초기 우주 전체에 흩어져 있는 최근 발견된 "작은 빨간 점"의 특성을 암시할 수도 있다고 제안합니다. 이 점들은 2022년 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 첫 번째 관측 중 일부에서 처음 나타났습니다. 천문학자들은 그 이후로 설명을 찾고 있습니다.

이 점들은 실제로 먼지에 가려진 AGN일 수 있으며, 일부에서는 슈퍼 에딩턴 강착이 독특한 신호를 설명할 수 있다고 의심합니다. Ighina의 팀은 RACS J0320−35가 이러한 의심을 확인할 수 있다고 믿으며 퀘이사를 적외선으로 연구해야 한다고 제안합니다.

한편, 독일 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소의 안나 드 그라프(Anna de Graaff)가 주도한 또 다른 최근 연구에서는 빛 스펙트럼이 뚜렷하게 떨어지면서 "절벽"이라고 불리는 특정 빨간 점의 빛 신호를 분석했습니다. 그들은 이 감질나는 신호가 빨간 점이 블랙홀 별이라고 불리는 새로운 유형의 별 모양의 물체임을 암시한다고 믿습니다.

절벽의 신호는 AGN에서 방출되는 스펙트럼보다 별의 스펙트럼과 더 유사합니다. 따라서 De Graaff의 팀은 물체가 별처럼 두꺼운 수소 껍질로 둘러싸여 있다고 의심합니다. 그러나 핵융합으로 구동되는 일반 별과 달리 이 물체의 중심은 수소층을 가열하는 AGN입니다.

두 연구 모두 웹의 빨간 점에 대한 확실한 설명을 제공하지는 않지만, 둘 다 초기 우주 곳곳에 흩어져 있는 신비한 물체에 대한 흥미로운 관점을 제공합니다.

Ighina 등의 연구는 2025년 9월 8일 The Astrophysical Journal Letters에 게재되었습니다.

De Graaff 등의 연구는 2025년 9월 12일 Astronomy &; Astrophysics(A&A) 저널에 게재되었습니다.

(리드 이미지: 왼쪽: RACS J0320−35와 같은 퀘이사의 그림. 오른쪽: 바람을 내뿜는 중성자별 GX13+1의 강착 원반의 그림. 크레딧: 왼쪽: NASA/CXC/SAO/M. Weiss; 오른쪽: ESA)

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