.Star quakes and monster shock waves: Researchers simulate a black hole consuming a neutron star
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Starship version space science
.Star quakes and monster shock waves: Researchers simulate a black hole consuming a neutron star
별의 지진과 거대한 충격파: 연구원들은 중성자별을 삼키는 블랙홀을 시뮬레이션합니다
캘리포니아 공과 대학 Stephanie Baum 편집 , Robert Egan 검토 편집자 주 이 세 장의 패널은 블랙홀(큰 검은 원)과 중성자별(색깔 있는 덩어리)의 합병을 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션한 결과입니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 시간을 따라 움직이는 이 이미지들은 블랙홀의 강렬한 중력이 중성자별을 잡아당기는 과정을 보여주며, 블랙홀이 결국 중성자별을 집어삼키기 전에 그 과정을 보여줍니다. 사진 제공: Elias Most/Caltech 우주에는 수많은 별들이 쌍을 이루어 우아하게 서로를 공전하는 모습을 볼 수 있습니다. 그러나 가장 극적인 쌍성계 중 하나는 두 개의 블랙홀 사이에서 일어나는데, 이는 거대한 모별이 초신성 폭발로 폭발한 후 형성된 것입니다. 만약 이 블랙홀들이 충분히 가까이 위치한다면, 궁극적으로 충돌하여 훨씬 더 거대한 블랙홀을 형성하게 됩니다. 때때로 블랙홀은 중성자별의 궤도를 돌기도 합니다.
중성자별은 초신성 폭발로 형성된 별의 고밀도 사체이지만, 블랙홀보다 질량이 적습니다. 이 두 천체가 마침내 합쳐지면, 블랙홀은 일반적으로 중성자별을 통째로 집어삼킵니다. 이처럼 끔찍한 종말의 기저에 깔린 극한의 물리학을 더 잘 이해하기 위해, 칼텍 연구진은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 블랙홀-중성자별 충돌을 시뮬레이션하고 있습니다. 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 에 게재된 한 연구에서 , 칼텍 이론 천체물리학 조교수인 엘리아스 모스트가 이끄는 연구팀은 블랙홀이 중성자별을 삼키기 약 1초 전에 중성자별 표면을 파괴하는 격렬한 지진에 대한 지금까지 가장 상세한 시뮬레이션을 개발했습니다.
"중성자별의 지각은 지진으로 땅이 갈라지는 것처럼 갈라질 것입니다." 모스트는 말한다. "블랙홀의 중력이 먼저 표면을 깎아내리면서 별에 지진이 발생하고 균열이 생깁니다." 중성자별 껍질에 균열이 생기는 것은 이전에도 예측된 바 있지만, 이 시뮬레이션은 천문학자들이 미래에 우주와 지상의 망원경으로 그러한 현상을 관측할 때 어떤 종류의 빛 플레어를 볼 수 있을지를 보여주는 최초의 사례입니다. "이것은 현상에 대한 교육된 모델을 넘어선 것입니다.
중성자별이 달걀처럼 깨질 때 발생하는 모든 관련 물리학을 포함하는 실제 시뮬레이션입니다."라고 캘리포니아 공과대학 물리학 조교수이자 윌리엄 H. 허트 장학생인 공동 저자 카테리나 샤치오아누가 말했습니다. 올해 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 에 발표된 두 번째, 더 최근 논문에서 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 중성자별이 파괴된 후 발생하는 현상을 시뮬레이션했습니다. 이 시뮬레이션은 우주에서 예측되는 가장 강력한 충격파인 거대한 충격파가 별에서 뿜어져 나오는 짧은 밀리초 단위의 시간입니다. 이 거대한 충격파는 컬럼비아 대학교의 공동 저자인 안드레이 벨로보로도프가 최근에야 예측한 것이었습니다.
이제 이 시뮬레이션은 작년에 연구팀이 발표한 다른 연구에서 나온 또 다른 시뮬레이션과 함께 충격파의 형성 과정을 처음으로 보여줍니다. 게다가 최근 시뮬레이션은 거대한 충격파가 형성될 때 멈추지 않고 중성자별이 삼켜지는 모습을 보여주며, 이로 인해 블랙홀 펄사라는 이국적인 물체가 생성되는 것을 촉발합니다. 고전적인 펄서는 강한 자기장을 가진 중성자별로, 별이 축을 중심으로 회전할 때 등대처럼 휩쓸고 지나가는 방사선 빔을 방출합니다. 블랙홀 펄서는 블랙홀이 회전하면서 자기풍을 방출하고, 그 자기풍이 블랙홀 주변을 휩쓸어 마치 펄서의 모습을 흉내 내는 가상의 천체입니다. 블랙홀 펄서는 이전에도 추측된 바 있지만, 이번 시뮬레이션은 이처럼 희귀한 천체가 중성자별과 블랙홀의 충돌을 통해 자연에서 어떻게 형성될 수 있는지를 처음으로 보여줍니다. "중성자별이 블랙홀에 빠지면 엄청난 충격파가 방출됩니다."라고 모스트와 함께 연구하는 칼텍 대학원생이자, 엄청난 충격파와 블랙홀 펄서 연구의 주저자인 김윤수는 말한다.
"별이 블랙홀에 빨려 들어간 후, 휘몰아치는 폭풍이 형성되어 블랙홀 펄서를 생성합니다. 하지만 블랙홀은 그 폭풍을 견딜 수 없어 몇 초 안에 다시 조용해집니다." 출처: 캘리포니아 공과대학교 중성자별의 균열 과정을 묘사한 시뮬레이션처럼, 이 시뮬레이션은 천문학자들이 망원경을 통해 볼 수 있는 플레어의 특성을 예측합니다. 엄청난 충격파가 바깥쪽으로 솟구쳐 오르고 블랙홀 펄서가 형성되는 찰나의 순간에, 망원경은 전파 폭발이나 X선과 감마선의 조합을 포착할 수 있을 것입니다. 간단히 말해, 모스트와 동료들이 수행한 시뮬레이션은 우주에서 가장 강력한 사건들을 일으키는 물리학에 대한 더 깊은 이해를 제공합니다.
물결치는 공간과 시간 두 개의 블랙홀이 충돌하면 충격파와 빛의 플레어뿐만 아니라 중력파라는 또 다른 유형의 복사도 발생합니다 . 시공간 구조의 이러한 파동은 100여 년 전 알베르트 아인슈타인에 의해 처음 예측되었습니다. 캘리포니아 공과대학(Caltech)과 MIT가 이끄는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)는 2015년 두 개의 블랙홀이 합쳐지면서 발생하는 중력파를 최초로 직접 감지했습니다.
이 업적으로 LIGO의 주요 연구진 중 세 명이 2017년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 2017년, LIGO와 유럽 자매 관측소인 Virgo는 다른 종류의 충돌, 즉 두 중성자별의 충돌을 관측했습니다. 킬로노바라고 불리는 이 격렬한 폭발은 금을 포함한 금속 입자들을 흩뿌렸습니다. 이 사건은 중력파와 빛을 동시에 방출했습니다. LIGO-Virgo는 먼저 중력파 형태로 이 폭발을 포착하여 전 세계 천문학자들에게 알렸고, 천문학자들은 우주와 지상의 망원경을 통해 고에너지 감마선부터 저에너지 전파까지 광범위한 전자기파(빛) 파장을 관측했습니다. 중성자별과 블랙홀의 충돌도 유사한 빛의 쇼를 만들어낼지는 불분명하지만, 지금까지 관측된 바는 없습니다.
그러나 중성자별과 블랙홀의 결합이 비록 빛나는 물질 구름을 생성하지 못하더라도, 충돌 직전과 충돌 중에 짧은 전파 및/또는 기타 전자기 신호를 내뿜을 가능성은 있습니다. 모스트와 그의 동료들이 수행한 시뮬레이션과 같은 시뮬레이션은 천문학자들이 어떤 전자기 신호를 찾아야 할지 파악하는 데 도움이 됩니다. 이러한 선구 신호를 찾는 데 도움이 되도록 LIGO 팀은 충돌이 발생하기 최대 1분 전에 병합을 감지하기 위해 노력하고 있습니다.
이를 통해 천문학자들은 망원경을 폭발에 맞추고 임박한 충돌의 징후를 찾을 수 있는 시간을 더 벌 수 있습니다. LIGO 팀원인 샤치오아누는 "충돌하는 두 천체가 나선형으로 점점 더 가까워지면서 LIGO가 감지하는 주파수 대역의 중력파를 방출하기 때문에 LIGO는 병합이 발생하기 전에 이를 감지할 수 있습니다."라고 말했습니다. "현재 우리는 충돌이 발생하기 몇 초 전에 충돌을 감지할 수 있으며, 최대 1분까지 감지할 수 있습니다. 중력파는 퍼즐의 한 조각이고 전자기파는 또 다른 조각입니다. 우리는 이 퍼즐 조각들을 하나로 모으고 싶습니다." 가장 진보된 컴퓨터 최근 연구팀의 중성자별-블랙홀 시뮬레이션 성공의 주요 요인은 GPU(그래픽 처리 장치)가 장착된 슈퍼컴퓨터의 활용입니다. 연구팀은 이러한 최근 연구에 버클리 로렌스 버클리 국립연구소에 위치한 펄머터 슈퍼컴퓨터(우주의 가속 팽창을 발견한 공로로 2011년 다른 두 과학자와 함께 노벨 물리학상을 수상한 천문학자 사울 펄머터의 이름을 따서 명명)를 사용했습니다. GPU는 비디오 게임과 ChatGPT와 같은 AI 프로그램에 처리 능력을 제공합니다. 이 경우 GPU의 엄청난 병렬 컴퓨팅 능력 덕분에 Perlmutter 슈퍼컴퓨터는 수렴하는 중성자별과 블랙홀 사이의 복잡한 상호 작용을 처리할 수 있었습니다.
"두 개의 블랙홀이 합쳐지는 것을 시뮬레이션할 때," 모스트는 말한다. "중력파를 설명하려면 일반 상대성 이론의 방정식이 필요합니다. 하지만 중성자별이 있을 때는 별의 복잡한 핵물리학과 그 주변의 플라즈마 역학을 포함하여 훨씬 더 많은 물리학이 작용합니다." 실제 시뮬레이션을 실행하는 데는 약 4~5시간이 걸립니다. Most와 그의 팀은 Perlmutter에서 시뮬레이션을 실행하기 전에 GPU가 없는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 약 2년 동안 유사한 시뮬레이션을 진행해 왔습니다.
"그게 바로 문제의 열쇠였습니다." 모스트는 말한다. "GPU 덕분에 갑자기 모든 것이 제대로 작동하고 기대에 부응했습니다. 이전에는 이렇게 복잡한 물리적 시스템을 충분히 자세하게 수치적으로 모델링할 만큼의 컴퓨팅 능력이 부족했습니다." 시뮬레이션의 비밀 첫 번째 균열 시뮬레이션은 중성자별이 파트너 블랙홀에 접근하면서 어떤 일이 벌어지는지 보여줍니다. 먼저, 거대한 블랙홀 의 중력이 죽은 별의 표면을 깎아내리면서 별이 산산이 조각납니다. 중성자별은 강렬한 자기장에 둘러싸여 있으며, 이른바 조석력으로 인해 표면이 산산이 조각나면 자기장이 이리저리 움직입니다. 이로 인해 알프벤파라고 불리는 자기적 파동이 발생하는데, 이는 플라즈마에서 전자기장이 어떻게 작용하는지 설명하는 이론인 자기유체역학에 대한 연구로 1970년 노벨 물리학상을 수상한 스웨덴 물리학자 하네스 알프벤의 이름을 따서 명명되었습니다.
"자기장은 중성자별에 연결된 끈이라고 생각할 수 있습니다."라고 모스트는 말합니다. "중성자별의 진동은 이 끈들을 채찍처럼 격렬하게 흔들다가 뚝뚝 끊어지는 소리를 냅니다." 알프벤파는 결국 폭발파로 변하여 중성자별이 삼켜지기 약 1초 전에 전파 폭발을 일으킵니다. 앞으로 캘리포니아 공과대학(Caltech)이 계획 중인 딥 시놉틱 어레이-2000(Deep Synoptic Array-2000, DSA-2000)은 네바다 사막에 건설될 예정인 2,000개의 전파 접시 안테나 배열로, 이러한 전파 폭발(고속 전파 폭발 또는 FRB라고 함)을 포착할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 중성자별의 죽음을 의미합니다. "이 시뮬레이션 이전에는 사람들이 중성자별을 달걀처럼 깨뜨릴 수 있다고 생각했지만, 그 깨지는 소리가 들릴지는 생각해 본 적이 없었습니다."라고 모스트는 말합니다. "저희 연구는 네, 그 소리를 무선 신호로 듣거나 감지할 수 있을 것으로 예측합니다."
연구팀의 두 번째 시뮬레이션은 중성자별의 종말 과정에서 어떤 일이 일어나는지 보여줍니다. 죽은 별이 블랙홀에 빨려 들어갈 때, 우주에서 가장 강력한 충격파 중 일부가 생성됩니다. "바다의 파도와 같아요." 김 교수는 말한다. "바다는 처음에는 고요하지만, 파도가 해안에 닿으면서 점점 가파르게 변하다가 마침내 부서지죠. 저희 시뮬레이션에서는 자기장 파동이 거대한 충격파로 갈라지는 것을 볼 수 있습니다." 그 엄청난 충격파는 중성자별의 균열로 생성되는 것보다 더 강력한 폭발파로 변환될 것이고, 또한 전파 신호를 생성할 것입니다. 즉, 천문학자들은 충돌하기 직전에 중성자별과 블랙홀을 관측할 때 두 개의 전파 신호를 연달아 감지할 수 있을 것입니다. "이것은 중성자별과 블랙홀의 충돌이 중성자별-중성자별 충돌처럼 물질을 분출하지는 않더라도 망원경이 감지할 수 있는 강력한 신호를 생성할 수 있다는 것을 의미합니다."라고 모스트는 말합니다.
간단한 비콘
마지막으로, 중성자별이 블랙홀에 삼켜진 후, 두 번째 시뮬레이션은 블랙홀 펄사가 어떻게 탄생하는지 보여줍니다. "블랙홀이 중성자별을 먹어치우면, 자기장도 먹어치우게 됩니다." 모스트는 이렇게 설명합니다. "그리고 블랙홀은 자기장을 없애야 합니다. 블랙홀은 자기장을 원하지 않습니다. 오히려 밀어냅니다. 시뮬레이션 결과, 블랙홀은 실제로 펄서처럼 보이는 상태를 형성하는 방식으로 자기장을 흡수합니다."
블랙홀은 원치 않는 자기장을 끌어당기는데, 이로 인해 블랙홀 주변을 휘감는 자기풍이 생성되어 1초도 채 되지 않는 짧은 시간 동안 펄서처럼 보이게 됩니다. 데이터에 따르면 이러한 현상은 고에너지 X선 및/또는 고에너지 감마선을 짧은 시간 동안 방출합니다. 앞으로 연구진은 이와 동일한 현상이 다른 유형의 이진계에도 적용되는지 탐구하고자 합니다. 슈퍼컴퓨터의 도움을 받아 우주의 가장 파괴적인 사건들을 일으키는 경이로운 물리 법칙을 밝혀내는 것이 연구의 목표입니다. "중성자별 합병에서 지각 진동으로 인한 비선형 알벤파 동역학 및 합병 전 방출"이라는 제목의 중성자 별 균열 연구 에 참여한 다른 저자로는 캘리포니아 공과대학 대학원생인 아이작 레그레드가 있습니다. "블랙홀-중성자별 합병의 결과로서 블랙홀 펄서와 괴물 충격파"라는 제목의 괴물 충격파와 블랙홀 펄서 연구를 진행한 다른 저자로는 캐나다 이론 천체물리학 연구소의 바트 리퍼다가 있습니다.
추가 정보: Elias R. Most 외, 중성자별 병합 시 지각 진동에 의한 비선형 알벤파 동역학 및 병합 전 방출, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad785c 김윤수 외, 블랙홀-중성자별 합병의 결과로서 블랙홀 펄서와 괴수 충격파, 천체물리학 저널 레터스 (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adbff9 저널 정보: 천체물리학 저널 편지 캘리포니아 공과대학 제공
https://phys.org/news/2025-06-star-quakes-monster-simulate-black.html
메모 2506050358_소스1.분석중【】
나는 우주를 거대한 질량더미 msbase로 본다. 그안에는 가속도 운동의 아인쉬타인 중력과 광파의 전자기장이 질량더미를 지배한다. 이를 증명하려면 거대 양자이론인 qpeoems.unit nk가 필요하다.
보기1.specimen이 그 모습을 소개한다. 중력장 vix.black_hole과 전자기장 vixx.neutrino_stars의 모습이 키랄 대칭화 되었다. 어허.
물론, 미시세계의 지배자는 여전히 qpeoms.uint이다. 강력과 약력, 대통일 장력 void.ems가 힉스와 쿼크, 중성미자와 중력자들이 출몰한다. 그들이 원자핵을 만들어 msbase.mase의 중력과 전자기장을 형성했다. 허허.
_[4-2】블랙홀 vixer는 중력을 가졌다. 중성자 별 vixxer(smolas)는 전자기장을 가졌다. 보기1.origin은 vix와 vixxer가 전체적으로 안정된 키랄성 magicsum 상태임을 알려준다.
보기1-1.에서는 블랙홀 vixer와 중성자 별 vixxer가 어떻게 분포되고 변환되는지 보여주고 중력이 전자기력을 어떻게 거느리게 되었는지 자연 법칙의 그 오묘함을 보기1.표본에서 새삼 다시 드려다 보게 한다. 으음.
보기1.
01000000-vix.a
00000001_vixx.a
00010000-
00000100_
보기1.specimen
sample 1.vix.a'6//vixx.a(b1,g3,k3,o5,n6)
b0acfd|0000e0
000ac0|f00bde
0c0fab|000e0d
e00d0c|0b0fa0
f000e0|b0dac0
d0f000|cae0b0
0b000f|0ead0c
0deb00|ac000f
ced0ba|00f000
a0b00e|0dc0f0
0ace00|df000b
0f00d0|e0bc0a
2-4.
자기장은 중성자별에 연결된 끈이라고 생각할 수 있다. 중성자별의 진동은 이 끈들을 채찍처럼 격렬하게 흔들다가 뚝뚝 끊어지는 소리를 낸다.
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