지난 여름, LIGO로 알려진 중력파 관측소는 두 개의 중성자별이 합쳐지는 모습을 두 번째로 포착했습니다. 오래 전 초신성 폭발의 거대한 핵인 이 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 물체의 충돌은 여기 지구에서 감지될 수 있을 만큼 강력한 시공간을 통해 전율을 일으켰습니다. 그러나 기대에 부응한 첫 번째 합병과 달리 이번 사건은 천체 물리학자들에게 우주에 무엇이 숨어 있는지에 대한 몇 가지 기본 가정을 다시 생각하게 만들었습니다. 캘리포니아 대학교 산타 크루즈 캠퍼스의 엔리코 라미레즈-루이즈(Enrico Ramirez-Ruiz)는 "우리에게는 딜레마가 있습니다."라고 말했습니다.
2성계의 유난히 높은 질량은 이번 충돌이 전례가 없다는 첫 번째 징후였습니다. 별의 무게만으로는 경각심을 불러일으킬 만큼 충분하지 않았지만 앞으로 다가올 놀라움을 암시했습니다.
최근 과학 사전 인쇄 사이트 arxiv.org에 게시된 논문에서 Ramirez-Ruiz와 그의 동료들은 2성 시스템으로 알려진 GW190425가 중성자 별 쌍에 대해 우리가 알고 있다고 생각했던 모든 것에 도전한다고 주장합니다. 이 최신 관측은 이 별들이 어떻게, 얼마나 자주 형성되는지에 대한 과학자들의 현재 이해와 근본적으로 양립할 수 없는 것으로 보입니다. 결과적으로 연구자들은 수년간 인정된 지식을 재고해야 할 수도 있습니다.
멀리 있지만 어디에나
2017년 LIGO가 최초의 중성자별 합병을 포착했을 때, 우리가 중성자별에 대해 알고 있는 모든 것은 우리 은하계에서 상대적으로 가까운 표본을 관찰한 결과였습니다. (2,500개 정도의 중성자별 중 18개는 쌍성 중성자별로 알려진 궤도 쌍으로 공존합니다.) 이와 대조적으로 GW190425는 은하수에서 거의 5,000개 떨어져 있습니다.
첫 번째 수수께끼는 질량입니다. 새로운 시스템의 총 질량은 약 3.4 태양입니다. 이전에 알려진 쌍성 중성자별의 모든 예는 무게가 약 2.6태양 정도였습니다. LIGO의 첫 번째 쌍성 중성자별 쌍은 바로 이 낮은 범위에 들어갔습니다.
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta 매거진; 출처:은하수; GW190425; GW170817
그러나 높은 결합 질량은 합병의 미스터리 중 첫 번째에 불과합니다. 더 당황스러운 것은 추정되는 대형 중성자별의 풍부함입니다. 최근 관찰에 기초하여 LIGO 과학자들은 이러한 무거운 쌍이 천문학자들이 수십 년 동안 연구해 온 가벼운 쌍성계만큼 흔할 것이라고 추정합니다. 큰 중성자별 쌍은 우리 은하수를 포함하여 우주 전체에 존재해야 합니다. 그렇다면 왜 이전에는 발견된 적이 없습니까?
한 가지 가능성은 이러한 합병이 너무 빨리 일어나기 때문에 감지하기 어렵다는 것입니다.
빛을 통해서만 볼 수 있는 망원경, 즉 LIGO가 등장하기 전까지의 모든 망원경을 사용하려면 적절한 시간에 적절한 장소를 봐야 합니다. 거대한 중성자별 쌍에서 나오는 짧은 섬광은 눈에 띄지 않을 수도 있습니다. LIGO 협력에 참여하고 있는 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 천체물리학자 살바토레 비탈레(Salvatore Vitale)는 "만약 어떤 유형의 바이너리가 매우 빠르게 병합된다면, 통계적으로 그 순간에 이를 포착할 가능성은 거의 없습니다."라고 말했습니다.
LIGO는 미적분학을 변경합니다. 하늘 전체를 감시하는 전방향 중력파 탐지기입니다. Vitale과 나머지 팀원들은 중력파 천문학이 출현하기 전에는 거의 보이지 않았던 무언가를 우연히 발견했다고 믿습니다.
그러나 숨겨진 거대한 중성자별의 과잉 문제에 대한 더 중요한 문제는 왜 그렇게 많은 중성자별이 있어야 하는지 설명할 수 없다는 것입니다.
우선, 무거운 중성자별 쌍이 가벼운 별 쌍만큼 많다면, 가벼운 별만큼 무거운 별(이를 생성하는)을 찾을 수 있을 것으로 예상해야 합니다. 하지만 그렇지 않습니다. 천문학자들은 모든 별 중 10% 미만만이 거대한 중성자별을 만들 만큼 크다고 추정합니다. Ramirez-Ruiz는 “우리는 매우 다른 방법에서 나온 혼란스러운 증거를 가지고 있습니다.”라고 말했습니다.
미스터리는 여기서 끝나지 않습니다. 항성 진화에 대한 현존하는 최고의 컴퓨터 시뮬레이션으로는 이렇게 유난히 무거운 쌍의 추정 풍부함을 전혀 설명할 수 없습니다.
과학자들은 종종 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 장기간에 걸쳐 복잡한 프로세스를 모델링합니다. 이 경우, 저자들은 수십억 년에 걸친 소형 항성 물체의 수명 주기를 모델링했습니다. Vitale은 "별을 잔뜩 넣고 별이 어떻게 폭발하는지 코드에 알려줍니다."라고 말했습니다. 그런 다음 "수백만 년 또는 수십억 년 동안 실행해 보면 결과가 무엇인지 알 수 있습니다."
우주에 대한 충실한 시뮬레이션을 제공하기 위해 코드는 상대성 이론, 자기, 중력 복사 등의 효과를 설명합니다. 또한 초신성 폭발 후 별 속으로 다시 떨어지는 가스의 양과 우주로 손실되는 가스의 양과 같이 완전히 이해되지 않은 세부 사항에 대해서도 가정합니다. 이러한 가정은 연구자에게 물리적 타당성 범위 내에서 코드에 연결할 수 있는 광범위한 입력을 제공합니다.
그러나 시뮬레이션에 어떤 입력을 연결하더라도 팀은 LIGO가 예측한 중중성자별 쌍의 수 근처에서는 생성할 수 없었습니다. 이번 연구를 이끈 산타크루즈의 천체물리학자 모하마드 사파르자데(Mohammad Safarzadeh)는 "이것이 쌍성 중성자별이라면 많은 의문에 직면하게 된다"고 말했다. 그와 그의 동료들이 논문에서 쓴 것처럼 이렇게 높은 합병률은 "초신성 폭발에 대한 우리의 이해에 급격한 변화"를 요구한다.
그러나 연구자들은 초신성 시뮬레이션이 매우 복잡하고 어렵다고 경고합니다. Safarzadeh에 따르면 이를 구동하는 모델은 "매우 근사한" 것으로 알려져 있으며 "매우 근사하다고 말하는 것은 여전히 매우 좋습니다." Vitale도 동의합니다. "시뮬레이트하기가 매우 어려운 문제입니다." 그럼에도 불구하고 이론과 증거 사이의 이러한 뚜렷한 차이는 문제가 됩니다. 라미레즈-루이즈는 "이것은 행동을 촉구하는 요청"이라고 말하며 과학자들에게 이 별들이 어떻게 형성되는지 다시 생각해 볼 것을 촉구했습니다.
별들이 어떻게 질량을 교환하고 병합할 수 있을 만큼 가까워지는지를 포함하여 쌍성 진화의 많은 측면이 제대로 이해되지 않고 있습니다. "우리는 별의 형성과 진화에 대해 많은 것을 알고 있지만 컴팩트 바이너리 생성과 관련된 많은 물리학은 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다."라고 오레곤 대학의 물리학자이자 LIGO 협력 회원인 Ben Farr가 말했습니다.
결과적으로 컴퓨터 시뮬레이션 뒤에 있는 모델에는 많은 가정이 적용되었습니다. 게다가 기존의 모든 모델은 은하수의 펄서 관측을 바탕으로 구축되었습니다. Ramirez-Ruiz는 "우리는 우리가 볼 수 있는 펄서 별의 인구를 가지고 있으며 모든 이진 인구 모델은 그 인구를 설명하는 것을 목표로 합니다."라고 말했습니다. “갑자기 LIGO는 그 인구가 이중 중성자 별의 인구를 대표하지 않는다고 말합니다. 그래서 우리는 조립의 패러다임과 이러한 것들이 어떻게 만들어지는지 다시 생각해야 합니다.”
따라서 이 논문의 발견은 천체물리학자들이 중성자별에 대해 알고 있다고 생각했던 것을 재검토하도록 압력을 가하고 있습니다. Ramirez-Ruiz는 "우리는 처음부터 다시 돌아가야 합니다"라고 말했습니다. "저에게는 매우 흥미로운 일입니다."
이 기사는 TheAtlantic.com과 Investigacionyciencia.es에서 스페인어로 재인쇄되었습니다.
