중국 천문학자들, 블랙홀이 같은 별을 두 차례 찢어낸 분광 증거 발견

두 차례의 플레어, 살아남은 별 하나를 가리키다

한 별이 초대질량 블랙홀과 가까이 스쳐 지나간 뒤 살아남았지만, 다시 돌아와 물질을 더 잃은 것으로 보인다. 중국과학기술대(USTC) 천문학자들은 2024년 1월 밝기가 다시 증가하기 시작한 뒤 반복적으로 발생한 현상 AT 2022dbl을 확인했다. 가장 강력한 단서는 두 차례 플레어에서 방출된 빛이 놀라울 정도로 비슷했다는 점이다.

연구 결과는 2024년 8월 9일 The Astrophysical Journal Letters에 게재됐다. USTC는 연구 발표에서 AT 2022dbl을 분광학, 즉 빛을 구성 파장별로 분리해 연구하는 방법을 통해 확인된 최초의 반복 부분 조석파괴 사건이라고 설명했다.

조석파괴 사건(TDE)은 별이 거대한 블랙홀 가까이 지나가 중력이 별의 물질을 뜯어낼 때 발생한다. 물질이 블랙홀을 향해 이동하면서 밝은 플레어를 일으킨다. 부분 파괴의 경우 별 일부가 살아남아 다시 블랙홀 가까이 접근할 수 있다.

AT 2022dbl이 중요한 이유는 연구진이 천체가 두 번 밝아졌다는 기록만 확보한 것이 아니기 때문이다. 두 플레어에서는 질소와 관련된 특징을 포함해 방출 특성이 거의 일치했다. 이러한 특징은 두 차례 현상 모두에서 관측된 물질이 같은 별에서 나왔을 가능성이 매우 높다는 연구진의 결론을 뒷받침한다.

이번 발견은 천문학자들이 겉보기에 평범한 별의 파괴 현상을 해석하는 방식도 바꿀 수 있다. 연구진에 따르면 AT 2022dbl의 각 플레어는 따로 보면 전형적인 TDE처럼 보였다. 그러나 천체를 시간에 따라 추적하자 더 복잡한 이야기가 드러났다. 별이 한 번의 사건으로 사라진 것이 아니라, 연이어 접근하는 과정에서 물질을 잃은 것으로 보인다.

블랙홀은 어떻게 별의 물질을 뜯어내나

블랙홀은 가까운 별의 먼 쪽보다 가까운 쪽을 더 강하게 끌어당긴다. 이 차이가 충분히 커지면 별이 늘어나고 별의 물질이 뜯겨 나갈 수 있다. 중력의 인력 차이가 바로 이 현상의 이름에 들어간 조석력이다.

강착은 물질이 중력에 의해 한 천체 주위에 모여들고 그 천체를 향해 이동하는 현상을 가리킨다. TDE에서는 별의 잔해가 이 과정에서 뜨거워지고 복사를 방출한다. 천문학자들은 그 결과로 나타나는 플레어를 관측해 직접 볼 수 없는 먼 곳에서 일어나는 조우를 연구한다.

USTC에 따르면 전형적인 TDE는 수십 일에 걸쳐 빠르게 밝아진 뒤 수개월에서 수년에 걸쳐 희미해진다. 부분 파괴도 비슷한 양상을 보일 수 있다. 이 경우 살아남은 별이 블랙홀 가까이 다시 접근하는 궤도에 남을 수 있다는 점이 특징이다.

연구진은 AT 2022dbl의 플레어 재발과 일치하는 스펙트럼을 반복 과정의 증거로 해석한다. 빛에는 뜯겨 나가는 물질에 대한 정보가 담겨 있고, 다시 밝아졌다는 사실은 활동이 재개됐음을 보여준다.

일치하는 스펙트럼이 중요한 이유

스펙트럼은 프리즘이 가시광선을 여러 색으로 펼쳐 보이듯 빛을 파장별로 나눈다. 원자와 이온은 특정 파장에서 특징적인 신호를 낸다. 천문학자들은 이 신호를 이용해 빛을 내는 물질의 조성과 물리적 조건을 연구한다.

AT 2022dbl의 두 플레어는 방출선 특성이 매우 비슷했다. USTC는 별 내부의 핵반응과 관련된 원소가 이례적으로 풍부하다는 점을 보여주는 특징을 강조했다. 일치하는 특징 가운데는 전자 두 개를 잃은 질소 원자가 내는 N III 방출선이 있었다.

연구진은 이러한 화학적 유사성을 두 차례 현상 모두 같은 별의 물질이 관여했다는 핵심 근거로 해석했다. 연구진의 추론은 활동이 재개된 시점과 빛이 드러낸 조성을 연결한다. 천체가 다시 플레어를 일으켰고, 방출된 빛에는 앞선 경우와 거의 일치하는 화학적 특징이 담겨 있었다.

반복적인 조석파괴의 초기 후보 사례들은 주로 시간에 따른 밝기를 나타내는 광도곡선에 근거했다. USTC는 해당 사례들이 밝기 변화 외에는 이처럼 강력한 증거가 부족해 폭넓은 인정을 받지 못했다고 밝혔다. AT 2022dbl에서는 두 플레어의 스펙트럼을 비교해 반복적인 부분 파괴라는 설명을 더 확실한 관측 근거로 뒷받침했다.

두 번째 플레어를 포착한 방법

USTC 연구진은 알려진 조석파괴 사건의 광도곡선을 꾸준히 갱신하며 활동 재개 여부를 살펴왔다. 이런 지속적인 관측 덕분에 연구진은 2024년 1월 AT 2022dbl의 밝기가 증가하는 것을 알아차리고, 새로운 플레어가 진행 중일 때 관측에 나설 수 있었다.

연구진은 스위프트 위성과 라스쿰브레스 천문대 글로벌 망원경 네트워크(LCOGT)를 동원해 관측을 시작했다. 이 관측에서는 여러 파장대의 현상을 측정해 단일 파장대만으로 얻을 수 있는 것보다 폭넓게 복사 변화 기록을 확보했다.

연구진은 미국 팔로마 천문대의 헤일 망원경(P200)으로 초기 단계의 고품질 스펙트럼도 얻었다. 이 스펙트럼은 새 폭발을 조석파괴 사건으로 확인하고 첫 번째 플레어와 핵심적으로 비교하는 데 도움이 됐다.

주요 과정은 다음과 같다.

• 2024년 1월: 연구진이 AT 2022dbl의 밝기 재증가를 포착하고 스위프트, LCOGT, 팔로마 천문대의 헤일 망원경으로 관측을 시작했다.
• 2024년 8월 9일: 연구 결과가 The Astrophysical Journal Letters에 The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl이라는 제목으로 게재됐다.

플레어는 진행되면서 변하기 때문에 재발을 초기에 포착하는 것이 중요했다. 신속한 관측을 통해 연구진은 두 번째 현상의 초기 단계 스펙트럼을 확보하고 밝기 변화를 추적하는 측정도 할 수 있었다.

쌍성에서 비롯됐을 가능성

연구진은 살아남은 별이 원래 쌍성계, 즉 서로의 주위를 도는 두 별로 이뤄진 계에 속했을 가능성을 제시한다. 블랙홀과 가까이 조우하면서 두 별이 갈라지고, 그중 하나가 블랙홀에 붙잡혔을 수 있다는 설명이다.

이 설명에 따르면 포획된 별은 이심률이 매우 높은 타원 궤도를 돈다. 이심률은 궤도가 얼마나 길쭉한지를 나타낸다. 거의 원형인 궤도에서는 천체가 비교적 일정한 거리를 유지하지만, 크게 늘어난 궤도에서는 멀리 벗어났다가 다시 가까이 접근한다.

별이 가까이 지나갈 때마다 강한 조석력을 받아 물질이 더 뜯겨 나가고 또 다른 플레어가 발생할 수 있다. 이는 별이 한 차례 조우에서 살아남은 뒤 다시 돌아와 물질을 잃을 수 있는 물리적 설명을 제공한다.

쌍성 기원과 제시된 궤도는 관측 결과에 대한 연구진의 해석으로 남아 있다. 발표문에는 다음 플레어가 발생할 날짜가 확정돼 있지 않다. 지속적인 관측을 통해 천문학자들은 추가 활동을 찾고 향후 현상을 앞선 두 차례와 비교할 수 있다.

별의 파괴 연구에 미치는 변화

AT 2022dbl은 이 사건들을 분류하는 천문학자들에게 실질적인 문제를 제기한다. 별이 부분적으로 파괴되며 발생한 플레어도 일반적인 TDE의 플레어처럼 보일 수 있기 때문이다. 연구진은 각 현상의 양상이 전형적인 사건과 구분되지 않았다고 밝혔다.

따라서 플레어 한 차례만 관측한 연구에서는 살아남은 별을 단 한 번의 파괴를 겪은 천체로 해석할 수 있다. USTC는 광학 TDE 연구에서 반복적인 부분 파괴가 대체로 간과돼 왔으며, 이번 발견은 이런 사건이 기존에 생각한 것보다 더 흔할 수 있음을 시사한다고 밝혔다.

이 차이는 연구진이 사건 수를 집계하고 블랙홀 주변에서 별이 물질을 잃는 과정을 연구할 때 중요하다. 반복해서 돌아오는 별이 포함된 집단은 각각의 플레어가 별 하나의 마지막 조우를 뜻하는 집단과 역사가 다르다. AT 2022dbl은 사건 집계와 물리 모형을 재검토할 때 살펴볼 구체적인 사례를 제공한다.

관측 전략도 중요하다. 이미 알려진 천체를 정기적으로 확인하면 발견 당시의 관측만으로는 놓칠 수 있는 활동을 포착할 수 있다. 이번 사례에서는 지속적인 밝기 측정, 신속한 대응, 분광 관측을 결합해 핵심 증거를 확보했다.

연구진과 추가 사례 탐색

논문의 제1저자는 USTC 박사과정생 린저위이며, 쉬콩 교수와 장닝 부연구원이 공동 지도했다. 장닝, 왕팅구이 교수, 쉬콩 교수가 교신저자다. 중국과학원 국가천문대, 우한대, 히로시마대, 교토대, 인도천체물리학연구소 등이 공동 연구기관으로 참여했다.

이번 연구는 중국 국가자연과학기금위원회, 과학기술부, 중국과학원, 중국 유인우주사업, 탕 재단, 안후이성 당국 등을 포함한 기관의 지원을 받았다.

연구진은 광시야 탐사망원경(WFST), 일명 모쯔 탐사망원경을 활용해 AT 2022dbl과 비슷한 사건을 더 찾을 계획이다. USTC와 쯔진산천문대가 공동 개발한 이 망원경은 조석파괴 사건을 핵심 과학 목표로 삼고 있다.

추가 사례를 발견하면 천문학자들은 더 많은 별과 플레어를 비교할 수 있다. AT 2022dbl은 새로운 사건을 찾는 작업과 이미 알려진 천체를 꾸준히 관측하는 일이 함께 이뤄져야 한다는 점을 보여준다. 희미해진 천체도 관측 가능한 현상을 한 차례 더 일으킬 수 있다.

핵심 내용

• USTC 연구진은 2024년 1월 AT 2022dbl의 밝기가 다시 증가하는 것을 포착했다.
• 두 플레어의 유사한 스펙트럼은 블랙홀이 같은 별에서 두 차례 물질을 뜯어냈다는 결론을 뒷받침한다.
• 연구진은 이 사례를 분광학으로 확인된 최초의 반복 부분 조석파괴 사건이라고 설명한다.
• 두 번째 플레어 관측에는 스위프트, LCOGT, 팔로마 천문대의 헤일 망원경이 활용됐다.
• 연구 결과는 2024년 8월 9일 The Astrophysical Journal Letters에 게재됐다.
• 연구진은 포획된 별이 길쭉한 궤도를 돈다는 설명을 제시하고 WFST로 추가 사례를 찾을 계획이다.