조석교란

1. 개요

조석교란(TDE)은 별이 초대질량 블랙홀(SMBH)에 너무 가까이 접근하여 블랙홀의 조석력에 의해 파괴되는 현상이다. 1975년 잭 G. 힐스가 처음 이론을 제시했으며, 마틴 리스는 파괴된 별의 물질이 블랙홀로 유입되어 강착 원반을 형성할 것이라고 설명했다. 1990년대 초 ROSAT 전천 탐사를 통해 처음 관측되었고, 현재까지 약 100건의 TDE가 알려져 있다. TDE는 광학, X선, 자외선 등 다양한 방법으로 발견되며, 광도 곡선과 물리적 특성을 통해 다른 천체와 구별된다. 주목할 만한 TDE 사례로는 Swift J1644+57, ASASSN-14li, AT2018hyz, ASASSN-19bt 등이 있다.

2. 역사

조석교란(TDE) 현상은 이론적으로 예측된 이후, 실제 관측을 통해 그 존재가 확인되었고, 최근에도 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

2.1. 초기 이론적 배경

잭 G. 힐스는 1975년에 별이 자기 중력보다 조석력이 더 커질 정도로 초대질량 블랙홀(SMBH)에 충분히 가까워지면 조석교란(TDE)이 발생한다는 이론을 처음 제시했다. 1988년 마틴 리스는 파괴된 별 물질의 약 절반이 블랙홀에 유입되어 빛을 내는 강착 원반을 형성한다고 설명했다.

초기 연구에 따르면 조석교란은 은하 핵 내에 숨겨진 초대질량 블랙홀 활동의 불가피한 결과이며, 별 파편의 강착으로 인한 폭발이나 복사 플레어가 일반 은하 중심에 있는 휴면 블랙홀의 존재를 드러낼 수 있다고 이론가들은 결론지었다.

1976년, 케임브리지 대학교 천문학 연구소의 천문학자 주한 프랑크와 마틴 리스는 은하와 구상 성단 중심에 블랙홀이 존재할 가능성을 탐구하여 별이 블랙홀에 방해받아 삼켜지는 임계 반지름을 정의하고, 특정 은하에서 이러한 현상의 관측이 가능함을 시사했다.

1980년대 초 파리 천문대의 장-피에르 르미네와 브랜든 카터는 TDE의 개념을 구체화했다. 이들은 1982년 네이처지에, 1983년 천문학 및 천체물리학지에 "항성 팬케이크 폭발(stellar pancake outbreak)" 모델을 발표했다. 이 모델은 초대질량 블랙홀(SMBH)에 의해 생성되는 조석장을 기술하며, 이 섭동에서 발생하는 방사선을 "팬케이크 폭발(pancake detonation)"이라고 불렀다.

존 휠러는 회전하는 블랙홀의 에르고 구에서 별이 붕괴하면 방출된 가스가 "치약 튜브 효과(tube of toothpaste effect)"에 의해 상대론적 속도까지 가속될 수 있음을 제시했다. 그는 뉴턴 역학의 조석 파괴 문제를 상대론적으로 일반화하여 슈바르츠실트 블랙홀 및 커 블랙홀 근방에 적용했다.

2.2. 초기 관측

조석교란(TDE) 현상은 1990년대 초 ROSAT 전천 탐사를 통해 처음 관측되었다. 1996년 DLR/NASA의 천문 위성 ROSAT가 1990년에 실시한 전천 X선 서베이 데이터를 바탕으로 NGC 5905의 활동 은하핵에서 TDE 후보 천체가 처음으로 검출되었다. 이후 수십 개의 TDE 후보가 발견되었으며, 자외선 및 가시광선 영역에서 활동하는 천체도 포함된다. 1999년부터는 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 제임스 길로천이 운영하는 "The Open TDE Catalog"에 TDE와 TDE 후보 목록이 정리되어 있다.

2.3. 최근 연구 동향

WISE 등의 데이터를 사용하여, 별의 조석교란(TDE) 현상을 관측하고 블랙홀의 크기를 추정하는 연구가 진행되고 있다. 2016년 9월, 중국과학기술대학교 팀은 WISE의 데이터를 사용하여 블랙홀에서 항성이 조석 파괴되는 현상을 관측했다고 발표했다. 존스 홉킨스 대학교 팀도 추가로 3개의 TDE 현상을 검출했다. 이러한 관측을 통해, 별이 블랙홀에 의해 파괴되면서 방출하는 우주 제트가 자외선이나 X선을 방출하고, 이 빛이 블랙홀 주위의 먼지에 흡수되어 적외선으로 방출되는 현상을 이용해 블랙홀의 크기를 추정할 수 있다는 가설이 제기되었다.

2019년 9월, NASA는 외계 행성 탐사 위성 TESS를 이용하여 3억 7500만 광년 떨어진 곳에서 발생한 ASASSN-19bt의 TDE를 관측했다고 발표했다.

3. 관측

, 대략 100개의 조석교란 사건(TDE)이 알려져 있으며, 이는 여러 천문학적 방법을 통해 발견되었다.

NGC 5128이나 NGC 4438과 같은 활동 은하핵(AGN)이나 은하수 중심부에 위치한 궁수자리 A* 등, 거대 질량 천체의 항성 잔해 강착으로 인한 거대한 분출은 루민과 카터의 이론을 증명하는 발견이었다. TDE 이론은 초거대 블랙홀의 사건의 지평선으로 흡수되기 직전에 폭발한 고광도 초신성 SN 2015L(ASASSN-15lh)에 대해서도 잘 설명하고 있다.

3.1. 관측 방법

즈위키 과도 현상 탐사(ZTF) 및 초신성 전천 자동 탐사(ASAS-SN)와 같은 광학 과도 현상 탐사를 통해 조석교란 사건을 발견할 수 있다. 또한, ROSAT, XMM-뉴턴 망원경, eROSITA를 사용한 X선 관측으로도 발견되었다. 조석교란 사건은 자외선에서도 발견되었다.

2016년 9월, 중국 안후이성 허페이시에 있는 중국과학기술대학교 팀은 NASA의 광역 시야 적외선 탐사기 WISE의 데이터를 사용하여, 알려진 블랙홀에서 항성의 조석 파괴 현상을 관측했다고 발표했다. 존스 홉킨스 대학교(Johns Hopkins University^영어)의 다른 팀은, 추가로 3개의 이벤트를 검출했다. 어느 경우든, 죽어가는 별이 만들어낸 우주 제트가 자외선이나 X선을 방출하고, 그것이 블랙홀 주위의 먼지에 흡수되어, 적외선으로 방출되고 있는 것이 아닌가 하는 가설이 세워졌다.

2019년 9월, NASA는 외계 행성 탐사 위성 TESS에 의한 관측 데이터로부터, 3억 7500만 광년 떨어진 별 ASASSN-19bt의 조석교란 사건을 관측했다고 발표했다.

3.2. 광도 곡선

조석교란의 광도 곡선은 파괴된 별 물질이 블랙홀로 떨어지면서 밝기가 급격히 증가하고, 그 후 몇 달 또는 몇 년 동안 지속되는 점진적인 감소를 보인다. 감소 단계에서 광도는 $t^\{-5/3\}$에 비례하며, 여기서 t는 시간이다. 일부 조석교란(TDE)이 전형적인 $t^\{-5/3\}$률에서 벗어나는 현상이 관측되었다. 이러한 특성을 통해 조석교란(TDE)은 과거 천문 현상과 같은 다른 과도 천체와 구별될 수 있다. 조석교란(TDE)의 최대 광도는 중심 블랙홀 질량에 비례하며, 모은하의 광도를 초과하거나 근접할 수 있으며, 이는 조석교란(TDE)을 우주에서 관측되는 가장 밝은 천체 중 하나로 만든다.

2016년 9월, 중국 안후이성 허페이시에 있는 중국과학기술대학교 팀은 NASA의 광역 시야 적외선 탐사기 WISE의 데이터를 사용하여, 알려진 블랙홀에서 항성의 조석 파괴 현상을 관측했다고 발표했다. 미국 메릴랜드주 볼티모어에 있는 존스 홉킨스 대학교의 다른 팀은 추가로 3개의 이벤트를 검출했다. 어느 경우든, 죽어가는 별이 만들어낸 우주 제트가 자외선이나 X선을 방출하고, 그것이 블랙홀 주위의 먼지에 흡수되어, 적외선으로 방출되고 있는 것이 아닌가 하는 가설이 세워졌다. 이 적외선 방출이 검출되었을 뿐만 아니라, 제트가 자외선이나 X선을 방출하고 나서 먼지가 적외선을 방출하기까지의 시간 지연을 이용하여, 별을 다 먹어 치우는 블랙홀의 크기를 추정할 수 있지 않을까 하고 결론 내렸다.

2019년 9월, NASA는 외계 행성 탐사 위성 TESS에 의한 관측 데이터로부터 3억 7500만 광년 떨어진 별 ASASSN-19bt의 TDE를 관측했다고 발표했다.

3.3. 물리적 특성과 에너지

조석교란(TDE)은 크게 두 가지로 나뉜다. 대부분은 Type Ib와 Ic 초신성과 비슷한 에너지를 가진 "비상대론적" 사건이다.

하지만 약 1%의 조석교란은 상대론적 조석교란으로, 별이 파괴된 직후 블랙홀에서 천체 물리학적 제트가 방출된다. 이 제트는 수년 동안 지속되다가 꺼진다. 2023년 기준으로 제트를 동반한 조석교란은 현재까지 네 건만 관측되었다.

2016년 9월, 중국 안후이성 허페이시에 있는 중국과학기술대학교 연구팀은 NASA의 WISE 데이터를 사용하여 블랙홀에 의한 항성 조석 파괴 현상을 관측했다고 발표했다. 미국 메릴랜드주 볼티모어에 있는 존스 홉킨스 대학교 연구팀도 추가로 3개의 사건을 탐지했다. 이들 연구에서는 죽어가는 별이 만들어낸 우주 제트가 자외선이나 X선을 방출하고, 이것이 블랙홀 주변의 먼지에 흡수되어 적외선으로 방출된다는 가설을 제시했다. 이 적외선 방출을 검출하고, 제트가 자외선이나 X선을 방출한 후 먼지가 적외선을 방출하기까지의 시간 지연을 이용하여 블랙홀의 크기를 추정할 수 있다는 결론을 내렸다.

2019년 9월, NASA는 외계 행성 탐사 위성 TESS의 관측 데이터를 통해 3억 7500만 광년 떨어진 별 ASASSN-19bt의 TDE를 관측했다고 발표했다.

4. 조석 파괴 반경

별은 블랙홀에 의해 가해지는 조석력이 별의 자체 중력을 초과할 때 조석 파괴를 겪는다. 이때 ${\displaystyle f_{tidal}>f_{sg}}$가 되는 거리를 조석 반경이라고 하며, 이 반경을 넘어서면 별은 블랙홀에 의해 파괴된다.

일반적으로 블랙홀의 조석 파괴 반경은 그 슈바르츠실트 반지름보다 크지만, 별의 반지름과 질량을 고정시키면 두 반지름이 같아지는 블랙홀의 질량이 존재하며, 이 지점에서 별은 찢어지기 전에 단순히 사라진다.

4.1. 조석 반경 (로슈 한계)

별은 블랙홀에 의해 가해지는 조석력이 별의 자체 중력을 초과할 때 조석 파괴를 겪는다. 이때 ${\displaystyle f_{tidal}>f_{sg}}$가 되는 거리를 조석 반경이라고 하며, 대략 다음과 같이 주어진다.

:$R\_T\backslash approx\; R^*\backslash left(\backslash frac\{M\_\{BH\}\}\{M^*\}\backslash right)^\{\backslash frac\{1\}\{3\}\}$

이것은 행성체의 파괴에 대한 로슈 한계와 동일하다.

4.2. 슈바르츠실트 반지름과의 관계

별은 블랙홀에 의해 가해지는 조석력이 별의 자체 중력을 초과할 때 조석 파괴를 겪는다. 이때의 거리를 조석 반경이라고 하며, 대략 다음과 같이 주어진다.

:$R\_T\backslash approx\; R^*\backslash left(\backslash frac\{M\_\{BH\}\}\{M^*\}\backslash right)^\{\backslash frac\{1\}\{3\}\}$

이는 행성체의 파괴에 대한 로슈 한계와 동일하다.

일반적으로 블랙홀의 조석 파괴 반경은 그 슈바르츠실트 반지름 $R\_S\; =\; \backslash frac\{2\; G\; M\}\{c^2\}$보다 크지만, 별의 반지름과 질량을 고정시키면 두 반지름이 같아지는 블랙홀의 질량이 존재하며, 이 지점에서 별은 찢어지기 전에 단순히 사라진다.

5. 주목할 만한 조석 파괴 현상 (TDE)

루민과 카터가 제시한 TDE 이론은 NGC 5128이나 NGC 4438과 같은 활동은하핵(AGN)이나 은하수 중심부에 위치한 궁수자리 A* 등, 거대 질량 천체에 항성 잔해가 강착되어 거대한 분출이 일어나는 현상을 통해 증명되었다. 또한, TDE 이론은 초거대 블랙홀의 사건의 지평선으로 흡수되기 직전에 폭발한 고광도 초신성 SN 2015L(ASASSN-15lh)에 대해서도 잘 설명한다.

5.1. Swift J1644+57

Swift J1644+57는 38억 광년 떨어진 별의 파괴 과정에서 발생한 상대론적 제트이다. 이 제트는 1.5년 동안 지속되다가 중단되었다.

5.2. ASASSN-14li

ASASSN-14li는 2014년에 발견된 TDE에서 비상대론적 유출을 최초로 전파 감지한 사건이다.

5.3. AT2018hyz

AT2018hyz는 초기 TDE 사건 후 약 750일이 될 때까지 전파가 감지되지 않다가, 그 이후 전파 주파수에서 빠르게 증가했다. 이는 지연된 전파 유출 또는 비축 제트로 해석된다.

5.4. ASASSN-19bt

전천 자동 초신성 탐사(ASAS-SN) 프로젝트에 의해 발견되었으며, TESS 위성으로 조기 상세 관측이 이루어졌다. 2019년 9월, NASA는 외계 행성 탐사 위성 TESS에 의한 관측 데이터로부터, 3억 7500만 광년 떨어진 ASASSN-19bt의 TDE를 관측했다고 발표했다.

5.5. AT2019qiz

AT2019qiz는 주목할 만한 TDE 사례 중 하나이다.

5.6. AT2022cmc

AT2022cmc는 2022년 ZTF에 의해 발견된 제트 TDE이다.

5.7. ASASSN-20hx (NGC 6297)

NGC 6297 은하 중심 근처에 위치한 ASASSN-20hx는 2020년 7월에 발견되었으며, "경성 전력법칙 X선 스펙트럼"을 가진 "매우 드문 조석 파괴 사건(TDE)" 중 하나로 언급되었다.