백조자리 X-1

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1. 개요
2. 발견과 관찰
3. 항성계
4. 스티븐 호킹과 킵 손의 내기
5. 한국과의 관련성
6. 문화적 영향
참조

1. 개요

백조자리 X-1은 청색 초거성 HDE 226868과 밀집성으로 이루어진 쌍성계로, 지구에서 X선 관측을 통해 1964년에 발견되었다. 밀집성은 블랙홀로 추정되며, 5.6일 주기로 공전한다. 1970년대 초 전파 및 X선 관측을 통해 블랙홀일 가능성이 제기되었고, 이후 루이즈 웹스터, 폴 머딘, 찰스 토머스 볼턴 등의 연구를 통해 블랙홀 존재가 뒷받침되었다. 스티븐 호킹과 킵 손은 백조자리 X-1의 블랙홀 존재 여부를 두고 내기를 하였으며, 호킹은 블랙홀의 존재를 인정했다. 백조자리 X-1은 강착 원반과 제트를 형성하며, X선 플럭스는 두 가지 상태 사이를 전환한다. 이 천체는 밴드 러시의 노래와 디즈니 영화 '블랙홀'에 영감을 주기도 했다.

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백조자리 X-1
명칭
한국어 명칭	백조자리 X-1
영어 명칭	Cygnus X-1
별칭	V1357 Cyg (백조자리 V1357) BD+34°3815 HD(E) 226868 HIP 98298 SAO 69181
관측 정보
겉보기 등급	8.95
별자리	백조자리
특징
분광형	O9.7Iab
B-V 색지수	+0.81
U-B 색지수	−0.30
변광성 유형	회전 타원체 변광성
시선 속도
시선 속도	km/s
고유 운동 (RA)	mas/yr
고유 운동 (Dec)	mas/yr
연주시차	0.4439 mas
연주시차 오차	0.0159 mas
구성 요소
백조자리 X-1 질량	21.2 태양 질량
HDE 226868 질량	20–40 태양 질량
HDE 226868 반지름	20–22 태양 반지름
HDE 226868 광도	3– 태양 광도
HDE 226868 표면 온도	K
HDE 226868 자전 주기	5.6일
HDE 226868 나이	480만 - 760만 년
기타 정보
백조자리 내 위치
추가 정보

2. 발견과 관찰

백조자리 X-1은 지구의 대기에 의해 X선이 차단되기 때문에 고층 기상 탐측 로켓에 실린 X선 관측 기구들을 통해 발견되었다. 1964년, 화이트샌즈 미사일 기지에서 발사된 두 대의 Aerobee 준궤도 로켓은 가이거 계수기를 통해 X선 발산 세기를 측정, 8개의 새로운 X선 천체를 발견했으며, 그중 백조자리 XR-1(이후 백조자리 X-1)의 천구좌표는 적경 19도 58분, 적위 35도 12분으로 확인되었다.

1963년 리카르도 기아초니(Riccardo Giacconi^영어)와 허브 거스키(Herb Gursky^영어)는 X선 천체 연구를 위한 위성 발사를 제의, NASA는 1970년 우후루 위성을 발사하여 300개의 새로운 X선 천체를 발견했다.^[23]^[24] 우후루 위성의 관측 결과, 백조자리 X-1의 X선 세기가 몇 초 간격으로 변동하는 것이 확인되었으며,^[25] 이는 에너지 생성이 10⁵ km 이하의 좁은 공간에서 일어남을 의미했다.^[26]

1971년 4월-5월, 라이덴 천문대와 국립 전파 천문대는 백조자리 X-1에서 전파 방출을 감지, X선 광원을 별 AGK2 +35 1910 = HDE 226868로 특정했다. 이 별은 백조자리 에타에서 약 0.5 도 떨어져 있으며, 초거성으로 자체적으로 관측된 양의 X선을 방출할 수 없기에, 동반 천체가 존재해야 했다.

루이즈 웹스터와 폴 머딘 (그리니치 왕립 천문대), 그리고 찰스 토머스 볼턴 (데이비드 던랩 천문대)은 1972년 독립적으로 HDE 226868의 거대한 숨겨진 동반 천체를 발견했다고 발표했다. 별 스펙트럼의 도플러 효과 측정을 통해 동반 천체의 존재를 증명하고, 궤도 매개변수를 통해 질량을 추정하여 블랙홀일 가능성을 제시했다.

고에너지 복제 광학(HERO) 프로젝트의 기구탑재 망원경으로 촬영한 백조자리 X-1의 X선 이미지

이후 더 많은 관측과 정밀 측정을 통해, 1973년 말 천문학계는 백조자리 X-1이 블랙홀일 가능성이 높다는 데 동의했다. 백조자리 X-1은 궤도 및 지상 기반 장비를 이용한 관측을 통해 광범위하게 연구되었으며, 마이크로퀘이사로 분류되어 활동 은하 메커니즘 연구에 기여하고 있다.

3. 항성계

백조자리 X-1은 밀집성과 청색 초거성 HDE 226868로 이루어진 쌍성계이다.^[27] 두 천체는 서로의 질량 중심을 5.599829 ± 0.000016일에 한 바퀴 돈다.^[27] 지구에서 바라볼 때 밀집천체는 초거성 뒤편으로 사라지는 일이 없어, 식현상을 일으키지 않는다. 그러나 가시선 방향에 대한 백조자리 X-1의 궤도경사각은 27 ~ 65도 사이로 불확실하다. 2007년 연구에서는 48.0 ± 6.8도로, 두 천체 사이 긴반지름은 약 0.2 AU이다. 공전궤도 이심률은 0.06 ± 0.01에 불과하며 거의 원에 가깝다.^[16]^[28]

3. 1. 밀집성 (블랙홀)

백조자리 X-1은 밀집성과 청색 초거성으로 이루어진 쌍성계이다.^[27] 구성원 둘은 서로의 질량 중심을 5.599829 ± 0.000016일에 한 바퀴 돈다.^[27] 지구에서 바라볼 때 밀집천체는 초거성 뒤편으로 사라지는 일이 없어, 식현상을 일으키지 않는다. 그러나 가시선 방향에 대한 백조자리 X-1의 궤도경사각은 27 ~ 65도 사이로 불확실하다. 2007년 연구에서는 48.0 ± 6.8도로, 두 천체 사이 긴반지름은 약 0.2 AU이다. 공전궤도 이심률은 0.06 ± 0.01에 불과하며 거의 원에 가깝다.^[16]^[28]

여러 기술을 통해 밀집 천체의 질량은 중성자별의 최대 질량보다 큰 것으로 나타났다. 항성 진화 모델은 20 ± 5 태양 질량을 제시하는 반면, 다른 기술들은 10 태양 질량을 제시했다. 천체 근처의 X선 방출에서 주기를 측정한 결과 14.8 ± 1 태양 질량의 더 정확한 값이 산출되었다. 모든 경우에 있어 이 천체는 블랙홀일 가능성이 가장 높다. 블랙홀은 내부에서 전자기 복사가 빠져나가는 것을 막을 만큼 강력한 중력장을 가진 우주 공간의 영역이다. 이 영역의 경계를 사건 지평선이라고 하며, 효과적인 반지름을 슈바르츠실트 반지름이라고 하는데, 백조자리 X-1의 경우 약 44 km이다. 이 경계를 통과하는 모든 것(물질과 광자를 포함)은 탈출할 수 없다. 2021년에 발표된 새로운 측정 결과에 따르면 추정 질량은 21.2 ± 2.2 태양 질량이다.

1992년 허블 우주 망원경의 고속 광도계를 이용한 자외선(UV) 관측을 통해 이러한 사건 지평선의 증거가 발견되었을 수 있다. 스스로 빛을 내는 물질 덩어리가 블랙홀로 나선형으로 빨려들어가면, 그 복사는 일련의 펄스로 방출되는데, 물질이 지평선에 접근함에 따라 중력 적색 편이의 영향을 받는다. 즉, 일반 상대성 이론에서 예측된 대로 복사의 파장이 꾸준히 증가한다. 고체의 밀집 천체에 부딪히는 물질은 최종 에너지 폭발을 방출하지만, 사건 지평선을 통과하는 물질은 그렇지 않다. 두 개의 이러한 "소멸 펄스 열"이 관측되었는데, 이는 블랙홀의 존재와 일치한다.

밀집 천체의 자전 속도는 아직 잘 알려져 있지 않다. 과거 우주 기반 찬드라 X선 관측선의 데이터 분석에 따르면 백조자리 X-1은 유의미한 정도로 회전하지 않는 것으로 제시되었다. 그러나 2011년에 발표된 증거는 초당 약 790회 회전하는 매우 빠른 속도로 회전하고 있음을 시사한다.

백조 OB3 성협회에서 가장 큰 별은 태양 질량의 40배에 달한다. 질량이 클수록 별의 진화 속도가 빨라지므로, 백조 X-1의 전구성 별은 40 태양 질량보다 더 컸을 것이다. 현재 추정되는 블랙홀의 질량을 고려하면, 전구성 별은 30 태양 질량 이상의 물질을 잃었어야 한다. 이 물질의 일부는 HDE 226868로 이동했을 수 있으며, 나머지는 강력한 항성풍에 의해 방출되었을 가능성이 크다. HDE 226868의 외곽 대기에서 헬륨이 풍부하게 나타나는 현상은 이러한 질량 이동의 증거일 수 있다. 전구성 별은 아마도 강력한 항성풍을 이용하여 대기의 상당 부분을 방출하는 울프-라이에 별로 진화했을 수 있다.

만약 전구성 별이 초신성으로 폭발했다면, 유사한 천체에 대한 관측 결과를 볼 때 잔해는 비교적 높은 속도로 계에서 방출되었을 가능성이 크다. 그러나 천체가 궤도를 유지하고 있다는 것은 전구성 별이 폭발하지 않고(혹은 매우 작은 폭발만 일으키고) 직접 블랙홀로 붕괴되었을 가능성을 시사한다.

3. 2. HDE 226868 (청색 초거성)

HDE 226868은 밀집성과 청색 초거성으로 이루어진 쌍성계 백조자리 X-1의 구성원이다.^[27] 두 천체는 서로의 질량 중심을 5.599829 ± 0.000016일에 한 바퀴 돈다.^[27] 지구에서 바라볼 때 밀집천체가 초거성 뒤로 숨는 식현상은 일어나지 않지만, 궤도경사각은 27 ~ 65도 사이로 추정된다. 2007년 연구에서는 48.0 ± 6.8도로 측정되었으며, 이에 따르면 두 천체 사이 긴반지름은 약 0.2 AU, 공전궤도 이심률은 0.06 ± 0.01로 거의 원에 가깝다.^[16]^[28]

HDE 226868은 스펙트럼 분류 O9.7 Iab의 청색 초거성으로, 표면 온도는 약 31,000 K, 질량은 태양의 약 20~40배이다. 항성 진화 모델에 따르면, 반지름은 태양의 약 15~17배, 광도는 태양의 약 300,000~400,000배이다. 밀집 천체는 HDE 226868로부터 약 40 태양 반지름 거리에서 공전하는 것으로 추정된다.

HDE 226868의 표면은 동반 천체의 조석력으로 인해 눈물 방울 모양으로 변형되어, 5.6일 주기로 0.06 등급의 광도 변화를 보인다. 알닐람과 비교했을 때, HDE 226868의 대기에는 헬륨이 과잉이고 탄소가 부족하다. 자외선과 수소-알파 스펙트럼 선은 P 시그니 항성과 유사한 프로필을 보이며, 이는 항성이 약 1,500 km/s 속도로 가스가 방출되는 기체 봉투로 둘러싸여 있음을 나타낸다.

HDE 226868은 연간 2.5 ×10^-6 태양 질량의 비율로 항성풍을 방출하며, 이는 밀집 천체의 중력적 영향으로 구형 대칭이 아닌 집중된 형태로 재구성된다. 밀집 천체 주변의 X선은 항성풍을 가열하고 이온화하며, UV 선, 전파 방출, X선은 천체의 궤도에 따라 변한다.

HDE 226868의 로슈 엽은 표면에 가깝지만 넘치지는 않아, 표면 물질이 동반 천체로 직접 제거되지는 않는다. 그러나 항성풍의 상당 부분은 로슈 엽을 넘어 밀집 천체의 강착 원반으로 떨어진다.

HDE 226868/백조자리 X-1 항성계는 백조자리 OB3 성협과 고유 운동을 공유하며, 이는 이들이 같은 곳에서 동시에 태어났음을 시사한다. 백조자리 X-1 항성계의 나이는 약 350만 ~ 650만 년으로 추정된다. HDE 226868의 고유 운동량은 9 ± 3 km/s이며, 성협 중심부에서 약 196광년 떨어진 곳에 위치한다.^[29]

위치는 은위 3도, 은경 71도로^[13] 오리온 팔 안쪽, 오리온 팔과 궁수자리-용골자리 팔이 합쳐지는 곳 근처에 있다. 백조자리 X-1은 우리 은하의 구조가 불확실함에도 궁수자리-용골자리 팔에 속하는 것으로 기술되어 왔다.^[31]

태양과 HDE 226868 사이의 가스와 먼지는 항성의 겉보기 등급을 감소시키고 색조를 붉게 만든다. 성간 소광의 추정값은 3.3 등급이다. 중간 물질이 없다면 HDE 226868은 5등급 항성이 되어 맨눈으로 볼 수 있었을 것이다.

3. 3. 강착 원반과 제트

백조자리 X-1은 밀집성과 청색 초거성 HDE 226868로 이루어진 쌍성계이다.^[27] 두 천체는 서로의 질량 중심을 공전하며, 지구에서 관측했을 때 식현상을 일으키지 않는다.^[27] 가시선 방향에 대한 백조자리 X-1의 궤도경사각은 불확실하나, 2007년 연구에서는 48.0 ± 6.8도로 측정되었다.^[16]^[28]

찬드라 X선 관측소가 관측한 백조자리 X-1의 X선 스펙트럼. 강착 원반 내 이온화된 철로 인해 약 6.4 keV 근처에서 특징적인 피크가 나타나지만, 중력과 도플러 효과로 인해 변형된다.

밀집 천체 주변에는 강착 물질로 이루어진 얇고 평평한 강착 원반이 존재한다. 이 원반은 내부와 외부의 마찰로 인해 강하게 가열되며, 높은 이온화 수준을 가진 뜨거운 내부 영역과 더 차갑고 이온화가 덜 된 외부 영역으로 나뉜다. 백조자리 X-1은 하늘에서 가장 밝은 하드 X선(에너지가 약 30 keV ~ 수백 keV)의 원천 중 하나이다. X선은 내부 강착 원반에서 생성된 후, 항성 코로나 내 고온 전자와의 콤프턴 산란을 통해 더 많은 에너지를 얻거나, 제트의 기저부에서 콤프턴 산란될 수 있다. 백조자리 X-1의 X선 방출은 준주기적 진동(QPO)을 보이며, 이를 통해 밀집 천체의 질량을 추정할 수 있다.

백조자리 X-1은 예측할 수 없게 두 가지 X선 상태(경성/연성) 사이를 전환한다. 경성 상태는 불투명한 강착 원반을 둘러싼 코로나에서, 연성 상태는 원반이 밀집 천체에 더 가까워질 때 발생한다. 백조자리 X-1의 스펙트럼 전이는 두 성분의 대류 흐름 해를 사용하여 설명할 수 있다.^[6]^[7] X선 플럭스는 5.6일 주기로 변하며, 이는 항성풍에 의한 차단 때문으로 추정된다. 또한, 약 300일의 주기성은 강착 원반의 세차 운동에 의해 발생할 수 있다.

강착 물질이 밀집 천체로 낙하하며 잃는 에너지의 일부는 강착 원반에 수직으로 정렬된 제트로 방출된다. 이 제트는 자기장에 의해 생성될 수 있으며, 비효율적인 복사체이므로 "어둡게" 보인다. 제트 중 하나는 성간 물질과 충돌하여 에너지화된 고리와 성운을 형성한다. 2006년, 백조자리 X-1은 매우 높은 에너지 대역의 감마선 방출 증거를 보였으며, 이는 제트와 HDE 226868의 항성풍 간 상호작용으로 설명될 수 있다.

4. 스티븐 호킹과 킵 손의 내기

스티븐 호킹과 킵 손은 백조자리 X-1에 블랙홀이 존재하는지 여부를 두고 내기를 하였다.^[32] 평생 블랙홀을 연구했던 호킹은 일종의 ‘보험’으로 블랙홀이 없다는 데에 걸었다.^[32] 그의 저서인 《시간의 역사》에서 호킹은 "나는 블랙홀에 대해서 많이 연구했으며, 설마 이것이 없다고 밝혀진다면 나의 시간은 낭비된 것이다. 하지만 만약 그렇다면 나는 내기에서 이기는 것"이라고 말했다.^[32] 1975년에 내기를 했을때는 백조자리에 블랙홀이 있었다고 80% 확신하였지만, 지금은 95% 확신한다고 말했다.^[32]

블랙홀의 존재를 확인해주는 관측결과가 나오자, 호킹은 내기에서 진 것을 인정하였다.^[33] 킵 손은 자신의 저서인 《블랙홀과 시간왜곡》에서 그가 러시아에 있는 도중 호킹이 들어와 내기에 졌음을 서명했다고 했다.^[34] 호킹은 내기가 1975년에 이루어졌다고 언급했지만, 손의 필체로 쓰여진 내기 서류 자체(손과 호킹의 서명이 있는)에는 "1974년 12월 10일 목격"이라는 설명 아래 추가 증인 서명이 있다.^[9] 이 날짜는 2018년 1월 10일 PBS의 ''노바'' 방송에서 킵 손에 의해 확인되었다.^[10]

5. 한국과의 관련성

6. 문화적 영향

백조자리 X-1은 캐나다 프로그레시브 록 밴드인 러시의 2부작 노래 시리즈인 백조자리 X-1의 주제이다.^[11] 1부 "Book I: The Voyage"는 1977년 앨범 떠나가는 왕들 (A Farewell to Kings)의 마지막 곡이며, 2부 "Book II: Hemispheres"는 1978년 앨범 헤미스피어스의 첫 번째 곡이다.^[11] 가사는 우주선 ''로시난테 (Rocinante)''를 타고 블랙홀 너머에 무언가가 있을지도 모른다고 믿으며 블랙홀로 여행하는 탐험가를 묘사하는데, 탐험가가 가까이 갈수록 우주선을 제어하기가 점점 어려워지고 결국 중력에 끌려 들어간다.^[11]

1979년 디즈니 실사 과학소설 영화 블랙홀 (The Black Hole)에서, 영화 제목의 블랙홀을 연구하기 위해 한스 라인하르트 박사가 선장으로 있는 과학 조사선의 이름은 ''사이그너스(Cygnus)''이며, 이는 최초로 확인된 블랙홀인 백조자리 X-1에서 이름을 따온 것으로 추정된다.^[12]

참조

_[1] 웹사이트 Cygnus X-1: A Black Hole Confirmed https://www.centauri[...] 2024-09-06
_[2] 서적 The Illustrated Encyclopedia of the Universe Watson-Guptill
_[3] 저널 Masses of the components of the HDE 226868/Cyg X-1 binary system
_[4] 비디오 Inside Einstein's Mind https://www.pbs.org/[...] 2015-11-25
_[5] 문서
_[6] 저널 Spectral Properties of Accretion Disks around Galactic and Extragalactic Black Holes 1995-12
_[7] 저널 The Spectral Properties of Shocked Two-Component Accretion Flows in the Presence of Synchrotron Emission
_[8] 웹사이트 Devoured by Gravity https://exoplanets.n[...] NASA 2021-04-15
_[9] 웹사이트 Hawking Thorne wager http://www.star.le.a[...] 2018-02-04
_[10] 웹사이트 Black Hole Apocalypse http://www.pbs.org/w[...] 2018-02-04
_[11] 서적 Rush and philosophy: heart and mind united https://books.google[...] Open Court 2011
_[12] 서적 Science fiction America: essays on SF cinema https://books.google[...] McFarland 2006
_[13] 웹인용 http://simbad.u-stra[...]
_[14] 저널 http://cdsads.u-stra[...]
_[15] 저널 http://adsabs.harvar[...]
_[16] 저널 http://adsabs.harvar[...] 2007-07-24
_[17] 저널 http://arxiv.org/abs[...]
_[18] 저널 http://arxiv.org/abs[...]
_[19] 뉴스 http://www.esa.int/e[...] 2008-08-12
_[20] 웹인용 http://www.physics.h[...] 2014-10-11
_[21] 웹인용 http://adsabs.harvar[...] 2008-03-29
_[22] 뉴스 http://astronomy.swi[...] 2008-03-31
_[23] 웹인용 http://nobelprize.or[...] 2008-03-24
_[24] 웹인용 http://heasarc.gsfc.[...] 2008-05-09
_[25] 저널 http://adsabs.harvar[...] 2008-03-11
_[26] 문서
_[27] 저널 http://arxiv.org/abs[...]
_[28] 저널 http://adsabs.harvar[...]
_[29] 저널 http://www.sciencema[...]
_[30] 저널 http://adsabs.harvar[...]
_[31] 웹인용 http://www.vectorsit[...] 2008-11-28
_[32] 서적
_[33] 서적
_[34] 서적

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