블랙홀의 급속한 향연은 과학자들을 충격에 빠뜨린다

새로운 연구에 따르면 초대질량 블랙홀은 이전에 생각했던 것보다 더 빠르게 주변 물질을 소모하고 있는 것으로 나타났습니다. 고해상도 시뮬레이션에서 얻은 이러한 통찰력은 퀘이사가 왜 그렇게 빨리 타서 사라지는지 설명할 수 있습니다.

새로운 노스웨스턴대학교그가 이끄는 연구는 천체물리학자들이 초대질량 블랙홀의 식습관을 이해하는 방식을 바꾸고 있습니다.

이전 연구자들은 블랙홀이 천천히 먹는다고 가정했지만, 새로운 시뮬레이션에 따르면 블랙홀은 기존의 이해보다 훨씬 빠르게 음식을 덮는 것으로 나타났습니다.

이 연구는 9월 20일에 발표되었습니다. 그만큼 천체 물리학 저널.

시뮬레이션 통찰력

새로운 고해상도 3D 시뮬레이션에 따르면 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 뒤틀어 결국 주변을 둘러싸고 공급하는 격렬한 가스 소용돌이(또는 강착 원반)를 찢어냅니다. 이렇게 하면 디스크가 내부 및 외부 하위 디스크로 분리됩니다. 블랙홀은 먼저 내부 고리를 삼켜버립니다. 그런 다음 외부 하위 디스크의 잔해물이 안쪽으로 쏟아져 완전히 소모된 내부 링이 남긴 틈을 채우고 먹는 과정이 반복됩니다.

끊임없이 먹고, 다시 채우고, 먹는 과정의 한 주기는 단 몇 달밖에 걸리지 않습니다. 이는 이전에 연구자들이 제안한 수백 년에 비해 놀랍도록 빠른 시간입니다.

이 새로운 발견은 갑자기 폭발했다가 설명 없이 사라지는 퀘이사를 포함하여 밤하늘에서 가장 밝은 물체의 극적인 행동을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 시뮬레이션은 초대질량 블랙홀의 강착 원반이 이 이미지에서는 정렬되지 않은 두 개의 하위 원반으로 어떻게 분할될 수 있는지를 보여줍니다. 출처: Nick Kaz/Northwestern University

연구를 이끈 노스웨스턴 대학의 닉 카즈(Nick Kaz)는 “고전적인 강착 원반 이론은 원반이 천천히 진화한다고 예측합니다.”라고 말했습니다. “그러나 블랙홀이 강착 원반에서 가스를 먹음으로써 생성된 일부 퀘이사는 수개월에서 수년에 걸쳐 시간이 지남에 따라 급격하게 변화하는 것처럼 보입니다. 이 차이는 매우 극적입니다. 대부분의 빛이 나오는 원반 내부는 “그런 다음 재생성됩니다. 고전적인 강착 원반 이론은 이 급격한 차이를 설명할 수 없습니다. 그러나 시뮬레이션에서 볼 수 있는 현상은 가능합니다. 급격한 밝아짐과 어두워짐은 원반 내부 영역의 파괴와 일치합니다.

Kaz는 노스웨스턴대학교 와인버그 예술과학대학 천문학과 대학원생이자 천체물리학 학제간 탐구 및 연구 센터(CIERA)의 회원입니다. Kaz는 Weinberg 물리학 및 천문학 부교수이자 CIERA 회원인 논문 공동저자 Alexander Chekhovskoy에게 조언을 제공했습니다.

잘못된 가정

블랙홀을 둘러싼 강착원반은 물리적으로 복잡한 물체이므로 모델링하기가 매우 어렵습니다. 전통적인 이론에서는 이러한 디스크가 밝게 빛났다가 갑자기 어두워지고 때로는 완전히 사라지는 이유를 설명하기 위해 노력해 왔습니다.

이전 연구자들은 강착 원반이 상대적으로 조직화되어 있다고 잘못 가정했습니다. 이 모델에서는 가스와 입자가 회전합니다. 블랙홀 – 블랙홀과 같은 평면에 있고 블랙홀의 회전 방향도 같습니다. 그런 다음 수백 년에서 수십만 년에 걸쳐 가스 분자가 블랙홀에 공급하기 위해 점차 나선형으로 들어갑니다.

“가스가 블랙홀에 어떻게 도달하여 영양을 공급하는가는 강착원반 물리학의 핵심 질문입니다. 그것이 어떻게 일어나는지 안다면 원반이 얼마나 오래 지속되는지, 얼마나 밝은지, 그리고 빛이 언제 어떻게 보일지 알려줄 것입니다. 우리는 망원경으로 그것을 관찰합니다.”
-Nick Kaz, 수석 저자

Kaz는 “수십 년 동안 사람들은 강착 원반이 블랙홀 회전과 일치한다는 꽤 큰 가정을 해왔습니다.”라고 말했습니다. “그러나 이러한 블랙홀에 공급되는 가스는 블랙홀이 회전하는 방향을 반드시 알 수는 없는데 왜 자동으로 정렬됩니까? 정렬을 변경하면 그림이 근본적으로 변경됩니다.”

현재까지 강착 원반에 대한 최고 해상도 시뮬레이션 중 하나인 연구원의 시뮬레이션은 블랙홀 주변 지역이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 혼란스럽고 격동적인 장소임을 시사합니다.

그림이라기보다는 자이로스코프에 가깝습니다.

연구진은 Oak Ridge 국립 연구소에 위치한 세계 최대 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Summit을 사용하여 얇고 기울어진 강착 원반에 대한 3D 일반 자기유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 수행했습니다. 이전 시뮬레이션은 현실적인 블랙홀을 구축하는 데 필요한 모든 물리학을 포함할 만큼 강력하지 않았지만 Northwestern이 주도한 모델은 가스 역학, 자기장 및 일반 상대성 이론을 통합하여 보다 완전한 그림을 구성합니다.

“블랙홀은 주변 시공간에 영향을 미치는 극단적인 일반 상대론적 물체입니다.”라고 Kaz는 말했습니다. “그래서 회전할 때 거대한 회전목마처럼 주변 공간을 끌어당겨 회전하게 만드는데, 이는 ‘프레임 드래그’라고 불리는 현상입니다. 이는 블랙홀에 가까워지면 정말 강한 효과를 만들어내며 점점 약해집니다. 더 멀리.”

프레임을 당기면 자이로스코프가 움직이는 것과 유사하게 전체 디스크가 원을 그리며 흔들리게 됩니다. 그러나 내부 디스크는 외부 부품보다 훨씬 빠르게 흔들리기를 원합니다. 이러한 힘의 불일치로 인해 전체 디스크가 휘어지고 디스크의 여러 부분에서 나온 가스가 충돌하게 됩니다. 충돌은 물질을 블랙홀에 점점 더 가깝게 밀어내는 밝은 충격을 생성합니다.

비틀림이 더욱 심해짐에 따라 부착 원반의 더 깊은 영역은 원반의 나머지 부분과 분리될 때까지 계속해서 더 빠르고 빠르게 진동합니다. 그런 다음 새로운 시뮬레이션에 따르면 하위 디스크가 서로 독립적으로 진화하기 시작합니다. 블랙홀을 둘러싼 평판처럼 부드럽게 함께 움직이는 대신, 하위 디스크는 자이로스코프의 바퀴처럼 서로 다른 속도와 각도로 독립적으로 움직입니다.

Kaz는 “내부 디스크가 파열되면 스스로 움직일 것”이라고 말했습니다. “블랙홀에 더 가깝고 크기가 작아서 움직이기 더 쉽기 때문에 더 빠르게 움직이는 것입니다.”

“블랙홀이 승리하는 곳”

새로운 시뮬레이션에 따르면 내부 및 외부 하위 디스크가 분리되는 파열 영역은 실제로 열광적인 먹이 공급이 시작되는 곳입니다. 마찰은 디스크를 함께 유지하려고 하는 반면, 회전하는 블랙홀에 의한 시공간 뒤틀림은 디스크를 찢어버리려고 합니다.

Kaz는 “블랙홀의 회전과 디스크 내부의 마찰 및 압력 사이에 경쟁이 있습니다”라고 말했습니다. “파열대는 블랙홀이 승리하는 곳이다. 내부 원반과 외부 원반이 서로 충돌한다. 외부 원반은 내부 원반의 층을 깎아 안쪽으로 밀어낸다.

이제 하위 디스크가 다른 각도로 교차합니다. 외부 디스크는 내부 디스크 위에 재료를 붓습니다. 이 추가 질량은 또한 내부 디스크를 블랙홀 쪽으로 밀어서 먹게 됩니다. 블랙홀의 중력은 가스를 외부 영역에서 비어 있는 내부 영역으로 끌어당겨 다시 채우게 됩니다.

퀘이사 접촉

먹고, 채우고, 먹는 이러한 빠른 주기는 소위 퀘이사의 “변하는 모습”을 설명하는 것 같다고 Kaz는 말했습니다. 퀘이사는 전체 에너지보다 1,000배 더 많은 에너지를 방출하는 극도로 빛나는 물체입니다. 은하수2000억~4000억 개의 별. 다양한 모양을 가진 퀘이사는 더 극단적인 것으로 간주됩니다. 그것들은 몇 달에 걸쳐 켜지고 꺼지는 것처럼 보이는데, 이는 전형적인 퀘이사의 경우 짧은 시간입니다.

비록 고전 이론에서는 강착 원반이 얼마나 빨리 진화하고 밝기가 변하는지에 대해 가정했지만, 다양한 모양을 가진 퀘이사를 관찰한 결과 실제로는 훨씬 더 빠르게 진화하는 것으로 나타났습니다.

Kaz는 “대부분의 밝기가 나오는 강착 원반의 내부 영역은 몇 달 안에 매우 빠르게 완전히 사라질 수 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 그것이 완전히 사라지는 것을 봅니다. 시스템은 밝아지기를 멈췄습니다. 그런 다음 다시 켜지고 과정이 반복됩니다. 기존 이론은 그것이 처음에 사라진 이유를 설명할 방법이 없으며 어떻게 그렇게 빨리 다시 채워지는지도 설명하지 않습니다.”

새로운 시뮬레이션은 퀘이사를 설명할 수 있을 뿐만 아니라 블랙홀의 신비한 본질에 대한 끊임없는 질문에 답할 수도 있습니다.

Kaz는 “가스가 블랙홀에 어떻게 도달하여 공급되는지는 강착원반 물리학의 핵심 문제입니다.”라고 말했습니다. “만약 그런 일이 어떻게 일어나는지 안다면 디스크가 얼마나 오래 지속되는지, 얼마나 밝은지, 그리고 망원경으로 관찰할 때 빛이 어떤 모습이어야 하는지 알려줄 것입니다.”

참조: Nicholas Kaz, Matthew T. B. Liska, Jonathan Jacquemin Eade, Zachary L. Andalman, Jeboa Mosuki, Aleksandr Chekhovskoy 및 Oliver Borth의 “노즐 충격, 디스크 찢어짐 및 스트리머는 얇고 꼬인 디스크의 3D GRMHD 시뮬레이션에서 빠른 부착으로 이어집니다.” , 2023년 9월 20일, 천체 물리학 저널.
도이: 10.3847/1538-4357/ace051

이 연구는 미국 에너지부와 국립과학재단의 지원을 받았습니다.