손-지트코프 천체
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1. 개요
손-지트코프 천체(TŻO)는 중성자별이 적색 거성 또는 초거성과 충돌하여 형성되는 천체이다. 이러한 충돌은 구상 성단 내에서 또는 쌍성계에서 한 별이 초신성이 될 때 발생할 수 있으며, 중성자별과 적색 거성 핵이 합쳐져 톨만-오펜하이머-볼코프 한계를 초과하면 블랙홀이 되고, 그렇지 않으면 단일 중성자별이 된다. TŻO는 매우 뜨거운 표면과 특이한 핵반응을 보이며, 적색 초거성이나 울프-레이에별과 유사한 관측 특징을 가질 수 있다. 예상 수명은 105–106년이며, 현재 은하수에 20~200개 정도 존재할 것으로 추정된다. TŻO는 중력파와 금속의 광학 스펙트럼을 통해 식별할 수 있으며, 대량 질량 손실을 통해 소멸하며, 강착 원반을 형성하거나 블랙홀로 붕괴될 수 있다. HV 2112가 TŻO 후보로 제안되었으나, 이후 반박되었으며, 현재 여러 천체가 TŻO 후보로 연구되고 있다.
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| 손-지트코프 천체 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 유형 | 항성 |
| 질량 | 12~40 태양 질량 (이론) 23.7 태양 질량 (HV 2112) |
| 발견자 | 킵 손 안나 지트코프 |
| 발견 년도 | 1975년, 1977년 |
| 명칭 유래 | 발견자의 이름을 따서 명명 |
| 이론적 특징 | |
| 정의 | 거대한 항성 내부에 중성자별 핵을 가진 항성 |
| 형성 과정 | 쌍성계에서 더 무거운 항성이 초신성 폭발 후 중성자별이 되고, 짝별과 합쳐짐 항성 내부에서 중성자별이 형성되어 중심핵이 됨 |
| 스펙트럼 특징 | Li, Mo, Rb과 같은 특이한 금속 원소의 존재 |
| 후보 천체 | |
| HV 2112 | 소마젤란운 내 위치 한때 Thorne-Żytkow 천체 후보로 여겨졌으나, 이후 적색 초거성으로 밝혀짐 |
| U Aquarii | 초기 연구에서 Thorne-Żytkow 천체 후보로 거론 |
| 추가 정보 | |
| 특이 사항 | 항성 진화의 이론적 단계이며, 아직 확실하게 입증된 사례는 없음 |
2. 형성
손-지트코프 천체는 중성자별이 적색 거성이나 초거성과 충돌하면서 형성된다. 이러한 천체 충돌은 매우 밀집된 성단 안에서 우연히 발생할 수 있다. 또는, 쌍성계에서 한쪽 항성이 초신성 폭발을 일으켜 중성자별이 될 때도 발생할 수 있다. 초신성 폭발은 완벽하게 대칭적으로 일어나지 않으며, 질량 방출로 쌍성계의 결합 에너지가 변하기 때문에 쌍성계 궤도에 변화가 생긴다. 이때 중성자별의 새로운 궤도가 쌍성계의 다른 항성과 교차하거나, 그 항성이 주계열성일 경우 적색 거성으로 진화하면서 중성자별을 삼킬 수 있다.[25]
중성자별이 적색 거성의 외층으로 들어가면, 중성자별과 외층 사이에 작용하는 항력 때문에 쌍성계 궤도가 좁혀지며, 중성자별과 적색 거성의 핵이 서로를 향해 나선형으로 접근한다. 이 과정은 초기에 서로 얼마나 떨어져 있었는지에 따라 수백 년이 걸릴 수 있다. 두 천체가 충돌하면 중성자별과 적색 거성의 핵이 융합한다. 이때 총 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계를 넘으면 블랙홀이 되고, 넘지 않으면 두 천체가 융합하여 하나의 중성자별이 된다.[6]
2. 1. 밀집성단 내 충돌
매우 밀집된 구상 성단 내에서 중성자별과 다른 별(주로 적색 거성 또는 초거성)이 우연히 충돌하여 손-지트코프 천체가 형성될 수 있다.[5] 이러한 충돌은 극도로 밀집된 구상 성단에서 발생할 가능성이 높다. 또는 중성자별은 두 별 중 하나가 초신성이 될 때 쌍성계에서 형성될 수 있다. 어떤 초신성도 완벽하게 대칭적이지 않기 때문에, 그리고 초신성에서 질량이 손실됨에 따라 쌍성의 결합 에너지가 변화하기 때문에, 중성자별은 원래 궤도에 상대적인 속도를 갖게 된다. 이로 인해 새로운 궤도가 동반성과 교차하거나, 동반성이 주계열성인 경우 동반성이 적색 거성으로 진화할 때 삼켜지게 할 수 있다.[5]2. 2. 쌍성계 진화
쌍성계에서 한 별이 초신성 폭발을 일으켜 중성자별이 된 후, 남은 동반성과 상호작용하여 손-지트코프 천체가 형성될 수 있다. 초신성 폭발은 완벽하게 대칭적이지 않기 때문에, 중성자별은 특정한 속도를 갖게 되며, 이로 인해 동반성과의 궤도가 변화하여 충돌이 일어날 수 있다.[5] 이 속도는 새로운 궤도가 동반성과 교차하게 하거나, 동반성이 주계열성인 경우 동반성이 적색 거성으로 진화할 때 삼켜지게 할 수 있다.[5]일단 중성자별이 적색 거성으로 들어가면, 중성자별과 적색 거성의 외부 확산층 사이의 항력으로 쌍성계의 궤도가 붕괴되고, 중성자별과 적색 거성의 핵이 서로 안쪽으로 나선형으로 이동하게 된다. 초기 분리에 따라 이 과정은 수백 년이 걸릴 수 있다. 두 천체가 마침내 충돌하면 중성자별과 적색 거성 핵이 합쳐진다. 결합된 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계를 초과하면 두 천체는 블랙홀로 붕괴된다. 그렇지 않으면 두 천체는 단일 중성자별로 합쳐진다.[6]
중성자별과 백색 왜성이 합쳐지면, R 코로나 보레알리스 변광성의 특성을 가진 손-지트코프 천체를 형성할 수 있다.[7]
2. 3. 중성자별과 적색거성의 상호작용
중성자별이 적색 거성에 진입하면, 중성자별과 적색 거성의 외부 확산층 사이에 항력이 발생하여 쌍성계의 궤도가 붕괴되고, 중성자별과 적색 거성의 핵이 서로 안쪽으로 나선형으로 이동하게 된다.[6] 이 과정은 초기 분리에 따라 수백 년이 걸릴 수 있다. 두 천체가 마침내 충돌하면 중성자별과 적색 거성 핵이 합쳐진다. 결합된 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계를 초과하면 두 천체는 블랙홀로 붕괴되고, 그렇지 않으면 단일 중성자별로 합쳐진다.[6]2. 4. 합병 후 결과
중성자별이 적색 거성 안으로 들어가면, 중성자별과 적색 거성의 외부 확산층 사이의 항력 때문에 쌍성계의 궤도가 붕괴되어 중성자별과 적색 거성의 핵이 서로를 향해 나선형으로 이동한다. 초기 거리에 따라 이 과정은 수백 년이 걸릴 수 있다. 두 천체가 마침내 충돌하여 합쳐질 때, 결합된 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계를 초과하면 블랙홀로 붕괴되고, 그렇지 않으면 두 천체는 단일 중성자별로 합쳐진다.[6]중성자별과 백색 왜성이 합쳐지면, R 코로나 보레알리스 변광성과 유사한 특성을 가진 손-지트코프 천체를 형성할 수 있다.[7]
3. 성질
손-지트코프 천체(TŻO)는 중성자별을 핵으로 가지는 특이한 천체이다. 중성자별 표면은 1,000,000,000,000이 넘는 매우 높은 온도를 가지는데, 이는 강착 가스에서의 핵융합이나 중성자별의 중력에 의한 가스 압축 때문에 발생한다.[26][27] 이러한 고온 환경에서는 일반적인 별 핵합성과는 다른 핵반응이 일어나 동위 원소 혼합물이 생성되며, 급속 양성자 핵합성(rp-과정)이 일어날 수 있다는 주장도 있다.[28]
관측상으로 TŻO는 적색 초거성과 유사하게 보이거나, 고온으로 인해 수소가 풍부한 표층이 날아가 버린 경우에는 질소가 풍부한 울프-레이에별 (WN8형)과 유사하게 보일 것으로 예상된다.
3. 1. 고온의 표면
중성자별의 표면은 매우 뜨거운데, 온도는 109 K을 넘어서며, 이는 가장 질량이 큰 별들을 제외한 모든 별의 핵보다 더 뜨겁다. 이 열은 강착 가스에서의 핵융합 또는 중성자별의 중력에 의한 가스의 압축에 의해 지배된다.[8][9] 높은 온도 때문에, 적색 거성의 외피가 중성자별 표면에 떨어질 때 특이한 핵 과정이 일어날 수 있다. 수소는 일반적인 별 핵합성에서 일어나는 것과는 다른 동위 원소 혼합물을 생성하기 위해 융합될 수 있으며, 일부 천문학자들은 X선 폭발에서 발생하는 급속 양성자 핵합성이 손-지트코프 천체 내부에서도 일어난다고 제안했다.[10]3. 2. 특이한 핵반응
중성자별 표면은 매우 뜨거워 온도가 109 K을 넘는데, 이는 가장 질량이 큰 별들을 제외한 모든 별의 핵보다 더 뜨겁다. 이 열은 강착 가스에서의 핵융합 또는 중성자별의 중력에 의한 가스 압축에 의해 지배된다.[8][9] 높은 온도 때문에, 적색 거성의 외피가 중성자별 표면에 떨어질 때 특이한 핵 과정이 일어날 수 있다. 수소는 일반적인 별 핵합성에서 일어나는 것과는 다른 동위 원소 혼합물을 생성하기 위해 융합될 수 있으며, 일부 천문학자들은 X선 폭발에서 발생하는 급속 양성자 핵합성(rp-과정)이 손-지트코프 천체 내부에서도 일어난다고 제안했다.[10]3. 3. 관측상의 특징
관측상으로 손-지트코프 천체(TŻO)는 적색 초거성과 유사하게 보일 수 있으며,[2] 수소 함량이 높은 표면층을 날려 보낼 정도로 뜨거우면 질소가 풍부한 울프-레이에별 (WN8형)과 유사할 수 있다.[11]3. 4. 예상 수명 및 존재 개수
TŻO의 예상 수명은 105~106년이다. 이 수명을 고려할 때, 현재 은하수에 20개에서 200개 사이의 TŻO가 존재할 수 있다.[12]3. 5. 중력파 방출
내부 중성자별은 중력파를 방출할 수 있으며, 이는 손-지트코프 천체(TŻO)를 식별하는 중요한 단서가 될 수 있다. 별이 TŻO인지 여부를 명확하게 결정하는 유일한 방법은 내부 중성자별의 중력파와 일반적인 적색 초거성의 특징과 다른 금속의 광학 스펙트럼을 다중 메신저로 감지하는 것이다. 현재의 LIGO 검출기를 사용하여 기존 TŻO를 감지하는 것이 가능하다. 중성자별 핵은 연속적인 파동을 방출할 것이다.[13]4. 소멸
TŻO는 대량 질량 손실로 인해 결국 소멸 단계에 이르게 된다. 남은 외피는 원반 형태로 변환되어 중성자별 주위에 거대한 강착 원반을 형성할 수 있다는 이론이 제기되었다.[14] 이러한 중성자별은 강착 원반을 가진 고립된 펄서 집단을 형성할 수 있다.[14] 거대한 강착 원반은 또한 새로운 별로 붕괴되어 중성자별의 동반성이 될 수 있다. 중성자별은 또한 충분한 물질을 강착하여 블랙홀로 붕괴될 수도 있다.[20]
5. 관측 역사
2014년, 에밀리 르베스크가 이끄는 연구팀은 HV 2112가 몰리브덴, 루비듐, 리튬, 칼슘과 같은 원소의 함량이 비정상적으로 높고 광도가 높다고 주장했다. 연구팀은 이러한 특징이 손-지트코프 천체(TŻO)의 예상되는 특징과 일치하므로, HV 2112가 TŻO의 첫 번째 사례일 수 있다고 제안했다.[2] 그러나 2018년 엠마 비저와 동료들은 논문을 통해 이 주장을 반박했다.[4] 그들은 HV 2112가 리튬을 제외한 다른 원소의 함량은 특이하지 않으며, 광도 또한 TŻO로 보기에는 너무 낮다고 주장했다. 대신 엠마 비저 연구팀은 루비듐 함량이 과도하고 HV 2112와 유사한 광도를 가진 HV 11417을 또 다른 TŻO 후보로 제시했다.[4]
6. 후보 천체 목록
TŻO 후보 천체 및 TŻO의 전구체 또는 미래의 TŻO가 될 수 있는 천체 목록은 다음과 같다.
| 후보 전 TŻO | 위치 | 비고 | 참고 문헌 |
|---|---|---|---|
| GRO J1655-40 | 전갈자리 | 이 시스템의 동반성 및 블랙홀의 전구체는 TŻO였을 것으로 추정된다.[20] | [20] |
| BD+61 2536 (TIC 470710327) | 카시오페이아자리 | 중성자별 합병 또는 TŻO로 진화할 수 있는 거대한 계층적 삼중성계.[21] | [21] |
6. 1. 손-지트코프 천체 후보
6. 2. 손-지트코프 천체의 전구체 또는 미래의 손-지트코프 천체 후보
| 후보 전 TŻO | 위치 | 비고 | 참고 문헌 |
|---|---|---|---|
| GRO J1655-40 | 전갈자리 | 이 시스템의 동반성 및 블랙홀의 전구체는 TŻO였을 것으로 추정된다.[20] | |
| BD+61 2536 (TIC 470710327) | 카시오페이아자리 | 중성자별 합병 또는 TŻO로 진화할 수 있는 거대한 계층적 삼중성계.[21] |
참조
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A critical re-evaluation of the Thorne-Żytkow object candidate HV 2112
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