PSR J1023+0038 : 블랙홀 제트와 맞먹는 제트를 뿜어내는 중성자 별

 

CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

 

그림 1> 이 상상화는 짝별로부터 중성자별에 물질이 유입되는 모습을 그린 것이다.

이 물질들이 흘러들어 중성자별 주위에 강착 원반을 만들게 되고, 이로부터 엄청난 속도의 물질 분출이 일어난다.

중성자 별에 가장 가까운 곳에 있는 물질들은 매우 뜨겁게 불타올라 X선에서 빛을 뿜어내게 되고 제트의 경우는 라디오파에서 가장 밝게 빛을 낸다.

이와 비슷한 일이 블랙홀 주변에서도 발생한다.

 

몇몇 중성자별들은 빛의 속도에 육박하는 속도로 강력한 제트를 만들어내는 능력이 거의 블랙홀에 필적할만한 수준이라는 점이 칼 G. 얀스키 초대형 배열(the Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)을 이용한 천문학자들에 의해 밝혀졌다.

 

네덜란드 라디오 천문연구소(ASTRON) 아담 델러(Adam Deller)의 소감은 다음과 같다.
"이건 정말 놀라운 일입니다.
이번 관측은 중성자 별과 일반적인 별로 구성된 짝별계에서 발생할 것이라고는 상상조차 하지 못했던 일에 대해 말해 주고 있는 것이랍니다."
 

블랙홀과 중성자 별은 각각 우주에서 현재까지 알려진 물질 중 첫번째와 두번째로 밀도가 높은 천체들이다.

이러한 극단적인 천체들과 일반적인 별로 구성된 짝별계에서는 짝별로부터 가스가 흘러나와 이 고밀도의 천체로 쌓이게 되고 이렇게 흘러든 물질들이 빛의 속도에 육박하는 제트로 분출되면서 장대한 모습을 연출하게 된다.

 

예전까지 블랙홀이야말로 가장 강력한 제트를 형성해내는 천체로서 의심의 여지가 없는 천체였다.

심지어 아무리 적은 양의 물질이라도 블랙홀로부터 쏟아져나오는 제트를 추적하는 라디오파 복사는 상대적으로 매우 밝게 빛났다.

 

이에 반해 중성자 별에서 만들어지는 제트는 상대적으로 매우 미미하게 생성되는 것처럼 보였다.
중성자별은 자신의 짝별로부터 매우빠른 속도로 물질들을 공급받을 때에라야 비로소 관측이 가능한 라디오파 복사를 만들어냈다.

따라서 물질을 일반적인 속도로 빨아들이는 중성자 별은 관측하기가 어려울 정도로 희미한 복사를 방출하는 매우 미약한 제트를 만들어내는 것으로 생각되었다.

그러나 최근 PSR J1023+0038 이라는 중성자 별에 대한 라디오파 및 X선 관측데이터를 함께 연구한 결과 이러한 예상과는 완전히 다른 상황이 드러났다.

 

PSR J1023+0038은 2009년 ASTRON의 천문학자 안네 아치발드(Anne Archibald)에 의해 발견된 중성자별로서 "밀리세컨드 펄서로의 과도기에 있는 중성자 별(transitional millisecond pulsar)"의 전형에 해당하는 별이다.
"밀리세컨드 펄서로의 과도기에 있는 중성자 별"이란 수년동안을 강착 상태 없이 보내다가 이따금 물질의 강착상태를 보이는 변이 과정에 있는 중성자별을 말한다.

 

2013년과 2014년에 이 별을 관측했을 때, 강착물질은 드문드문 존재하는 상태였고, 따라서 이로부터 매우 미약한 제트가 만들어졌어야 했다.

 

델러의 설명은 다음과 같다.
"예상밖으로, VLA를 통한 라디오파 관측은 대단히 강력한 복사를 보여주고 있었습니다.
이때의 제트는 블랙홀이 존재하는 짝별계에서나 가능한 강도를 가지고 있었죠."
 

중성자별이 "밀리세컨드 펄서로의 과도기"있는 짝별계는 두 개가 더 알려져 있으며 이 두 개 모두 블랙홀에 필적할만한 강력한 제트를 보여주고 있다.

 

과연 무엇이 이 과도기의 별들을 자신의 중성자 별 형제들과 다르게 만드는 것일까?

 

이를 알아내기 위해 델러와 그의 동료 연구원들은 강착 과정의 이론적 모델을 보다 정교화하기 위해 "밀리세컨드 펄서로 변해가는 와중에 있는 중성자 별"이 포함된 짝별계나 이와 같은 현상이 나타날 가능성이 있는 짝별계에 대한 추가 관측을 준비하고 있다.

 

델러가 이끄는 연구팀의 연구내용은 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 8월 4일자
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/neutron-star-jets

 

참고 : PSR J1023+0038을 비롯한 각종 펄서에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12347923 

 

원문>

Neutron Stars Strike Back at Black Holes in Jet Contest

Some neutron stars may rival black holes in their ability to accelerate powerful jets of material to nearly the speed of light, astronomers using the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) have discovered.

"It's surprising, and it tells us that something we hadn't previously suspected must be going on in some systems that include a neutron star and a more-normal companion star," said Adam Deller, of ASTRON, the Netherlands Institute for Radio Astronomy.

Black holes and neutron stars are respectively the densest and second most dense forms of matter known in the Universe. In binary systems where these extreme objects orbit with a more normal companion star, gas can flow from the companion to the compact object, producing spectacular displays when some of the material is blasted out in powerful jets at close to the speed of light

Previously, black holes were the undisputed kings of forming powerful jets. Even when only nibbling on a small amount of material, the radio emission that traces the jet outflow from the black hole was relatively bright. In comparison, neutron stars seemed to make relatively puny jets -- the radio emission from their jets was only bright enough to see when they were gobbling material from their companion at a very high rate. A neutron star sedately consuming material was therefore predicted to form only very weak jets, which would be too faint to observe.

Recently, however, combined radio and X-ray observations of the neutron star PSR J1023+0038 completely contradicted this picture. PSR J1023+0038, which was discovered by ASTRON astronomer Anne Archibald in 2009, is the prototypical "transitional millisecond pulsar"-- a neutron star which spends years at a time in a non-accreting state, only to "transition" occasionally into active accretion. When observed in 2013 and 2014, it was accreting only a trickle of material, and should have been producing only a feeble jet.

"Unexpectedly, our radio observations with the Very Large Array showed relatively strong emission, indicating a jet that is nearly as strong as we would expect from a black hole system," Deller said.

Two other such "transitional" systems are now known, and both of these now have been shown to exhibit powerful jets that rival those of their black-hole counterparts. What makes these transitional systems special compared to their other neutron star brethren?  For that, Deller and colleagues are planning additional observations of known and suspected transitional systems to refine theoretical models of the accretion process.

Deller led a team of astronomers who reported their findings in the Astrophysical Journal.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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