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초고광도 엑스선원

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목차

1. 개요

초고광도 엑스선원(ULX)은 1980년대에 처음 발견된 천체로, 일반적인 엑스선 쌍성보다 훨씬 높은 광도를 나타낸다. 이들은 타원은하를 포함한 다양한 은하에서 발견되며, 항성 형성이 활발한 은하나 상호작용 은하에 주로 분포한다. ULX의 광도가 에딩턴 한계를 넘어서기 때문에, 광선 형태 방출, 중간질량 블랙홀, 배경 퀘이사, 초신성 잔해 등 다양한 이론으로 설명하려 한다. 주요 초고광도 엑스선원으로는 Holmberg II X-1, M82 X-1, M82 X-2 등이 있다.

2. 관측 역사

초고광도 엑스선원(ULX)은 1980년대 아인슈타인 천문대(HEAO-2)에서 최초로 발견되었으며,[15] 이후 ROSAT 인공위성을 이용한 후속 관측이 이루어졌다.[20] XMM-뉴턴 및 찬드라 엑스선 관측선의 고분해능 관측을 통해 연구에 큰 진전이 있었다.[20][1] 찬드라 엑스선 관측선의 조사 결과, 은하 대부분에는 초고광도 엑스선원이 없지만, 있는 은하에는 평균적으로 1개씩 존재한다는 결과가 나왔다.[20][1][15]

초고광도 엑스선원은 타원은하 등 모든 유형의 은하에서 발견되지만, 항성 형성이 활발한 은하나 상호작용은하에 주로 분포한다.[20] 초고광도 엑스선원의 약 10%는 배경 퀘이사이며, 초고광도 엑스선원이 배경 천체일 가능성은 나선은하보다 타원은하에서 더 높다.[20]

3. 이론

초고광도 엑스선원의 광도가 항성 천체의 에딩턴 한계를 넘기 때문에, 일반적인 엑스선 쌍성과는 다를 것으로 추정하고 있다. 초고광도 엑스선원이 무엇인지를 설명하는 이론은 여럿이 제시되어 있으며, 상황에 따라 각각 맞는 이론이 다를 것으로 여기고 있다.

'''광선 형태 방출''' — 만약 천체의 빛 방출이 줄기 형태로 집중되어 있다면, 천체의 실제 광도가 추정과 달라지고, 광자가 온 방향과 강착되는 기체가 온 방향이 다를 수 있기 때문에, 에딩턴 한계를 측정할 수가 없어진다. 이 이론에 따르면 항성 질량 천체의 광도는 1033 W까지 올라갈 수 있으며, 이는 초고광도 엑스선원 대부분을 설명할 수 있는 수치이지만, 밝은 초고광도 엑스선원 천체 일부에 비해서는 너무 낮다. 항성 질량 천체가 열복사 스펙트럼을 가지고 있다면, 온도는 높고, 온도와 볼츠만 상수를 곱한 값 ''kT'' ≈ 1 keV 정도이며, 준주기적 진동은 일어나지 않으리라 예상하고 있다.

'''중간질량 블랙홀''' — 블랙홀은 주로 태양 질량의 몇에서 몇십 배 가량의 항성질량 블랙홀이나, 수백만에서 수백억 배 가량의 초대질량 블랙홀 형태로 관측된다. 중간질량 블랙홀은 태양 질량의 수백에서 수천 배 가량의 질량을 지닌 이론적인 세 번째 블랙홀 분류로, 동마찰에 의해 은하 중심으로 낙하할 만큼 질량이 크지는 않지만, 에딩턴 한계를 초과하는 광도를 내뿜기에는 충분하다.[21] 초고광도 엑스선원이 중간질량 블랙홀일 경우, 강착원반의 온도는 비교적 낮은 편(''kT'' ≈ 0.1 keV)일 것이며, 낮은 진동수에서 준주기적 진동을 보일 것으로 추정하고 있다.

중간질량 블랙홀로 추정되는 천체들의 엑스선 스펙트럼을 분석한 결과, 규모가 증가한 항성질량 블랙홀이 있는 엑스선 쌍성의 스펙트럼 형태와 유사했다. 엑스선 쌍성의 스펙트럼은 보통 여러 '상태'로 지칭하는데, 주로 낮음/경질 상태와 높음/연질 상태가 있다. 낮음/경질 상태는 멱법칙 주도 상태라고도 하며, 엑스선 흡수 스펙트럼의 광학 지수가 1.5 ~ 2.0(경질 스펙트럼)일 때로 정의한다. 통상적으로 낮음/경질 상태는 광도가 낮다고 여겼으나, 관측 기술이 발전함에 따라 꼭 그렇지만은 않다는 사실이 밝혀졌다. 높음/연질 상태는 흡수되는 열역학적 수치(원반 온도가 ''kT ≈'' 1.0 keV이고 광학 지수가 약 2.5)에 따라 정의된다. 초고광도 엑스선원 Holmberg II X-1은 낮음/경질 상태 및 높음/연질 상태 모두가 관측되었으며, 중간질량 블랙홀로 추정하고 있다.[22]

'''배경 퀘이사''' — 관측된 초고광도 엑스선원 중 다수는 더 멀리 있는 퀘이사가 겹쳐 관측되는 것으로 밝혀졌다. 배경 퀘이사인지의 여부는 온도가 낮은지를 통해 확인할 수 있다.

'''초신성 잔해''' — 밝은 초신성 잔해의 광도는 이론적으로 1032 W까지 증가할 수 있다. 이러한 형태의 초고광도 엑스선원은 짧은 시간 동안 변동을 보이지 않고, 몇 년에 걸쳐 점차 어두워진다.

3. 1. 광선 형태 방출

초고광도 엑스선원(ULX)의 광선 방출은 엑스선이 좁은 빔 형태로 집중되는 현상을 의미한다. 이 경우, 천체의 실제 광도는 관측되는 것보다 낮아질 수 있으며, 에딩턴 한계를 정확하게 측정하기 어려워진다.[21] 광선 형태 방출 이론에 따르면, 항성 질량 천체의 광도는 최대 1040 erg/s (1033 W)까지 가능하다.[21] 이는 대부분의 초고광도 엑스선원을 설명할 수 있는 수치이지만, 일부 매우 밝은 천체에는 적용되지 않는다. 항성 질량 천체가 열복사 스펙트럼을 가질 경우, 온도는 높고(kT ≈ 1 keV), 준주기적 진동은 나타나지 않을 것으로 예상된다.[21]

3. 2. 중간질량 블랙홀

중간질량 블랙홀(IMBH)은 태양 질량의 수백에서 수천 배에 이르는 질량을 가진 블랙홀로, 항성질량 블랙홀과 초대질량 블랙홀의 중간 정도에 해당한다.[21] 이들은 동마찰에 의해 은하 중심으로 가라앉지 않을 만큼 가볍지만, 에딩턴 한계를 초과하는 광도를 낼 수 있을 만큼 무겁다.[2]

초고광도 엑스선원(ULX)이 중간질량 블랙홀일 경우, 강착원반의 온도는 비교적 낮고(''kT'' ≈ 0.1 keV), 낮은 주파수에서 준주기적 진동을 보일 것으로 예상된다. 엑스선 스펙트럼 분석 결과, 일부 초고광도 엑스선원은 규모가 커진 항성질량 블랙홀과 유사한 특성을 보인다.[22] 예를 들어, Holmberg II X-1은 낮음/경질 상태 및 높음/연질 상태 모두가 관측되었으며, 중간질량 블랙홀로 추정된다.[22] 낮음/경질 상태는 엑스선 흡수 스펙트럼의 광학 지수가 1.5 ~ 2.0인 경우를, 높음/연질 상태는 흡수되는 열역학적 수치(원반 온도가 ''kT'' ≈ 1.0 keV이고 광학 지수가 약 2.5)에 따라 정의된다.

3. 3. 배경 퀘이사

관측된 초고광도 엑스선원(ULX) 중 상당수는 실제로는 더 멀리 있는 퀘이사가 겹쳐 보이는 것이다.[21][22] 배경 퀘이사는 낮은 온도를 통해 확인할 수 있다.[21]

3. 4. 초신성 잔해

밝은 초신성 잔해는 이론적으로 1039 erg/s (1032 W)까지 광도가 증가할 수 있다.[21] 이러한 초고광도 엑스선원은 짧은 시간 동안 변동을 보이지 않고, 수년에 걸쳐 점차 어두워진다.[22]

4. 주요 초고광도 엑스선원

SS 433 - 초고광도 엑스선원 후보 천체

  • '''Holmberg II X-1''': 왜소은하에 있는 초고광도 엑스선원으로, XMM-뉴턴의 관측 결과 낮음/경질 및 높음/연질 상태를 모두 보였다. 규모가 증가한 엑스선 쌍성이거나 강착이 일어나는 중간질량 블랙홀로 추정된다.
  • '''M74''': 2005년 찬드라의 관측 결과 중간질량 블랙홀이 있을 가능성이 있다.
  • '''M82 X-1''': 2004년 10월 발견 당시 가장 밝은 초고광도 엑스선원이었으며, 중간질량 블랙홀이 있을 가능성이 제일 높은 천체로 거론되고 있다.[23] 성단과 같이 있고, 준주기적 진동이 일어나며, 엑스선 진폭에 62일 간의 변조가 있다.
  • '''M82 X-2''': 2014년 발견된 특이한 초고광도 엑스선원으로, 블랙홀이 아닌 펄서로 추정하고 있다.[24]
  • '''M101 X-1''': 광도가 1034 W까지 증가하는 밝은 초고광도 엑스선원 중 하나이다. 가시광선 관측 결과 초거성이 있다는 점에서, 엑스선 쌍성일 가능성이 제기되고 있다.[25]
  • '''NGC 1313 X1과 X2''': 그물자리의 나선은하 NGC 1313에 존재하는 두 개의 초고광도 엑스선원이다.[26] 강착 원반의 온도가 낮기 때문에, 중간질량 블랙홀 후보로 여겨진다.[27]

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  • '''RX J0209.6-7427''': 1993년 마젤란 다리에서 마지막으로 관측된 과도적 엑스선 쌍성계로, 26년 만인 2019년 재관측하였을 때 초고광도 엑스선 펄서임이 밝혀졌다.[28][29]

참조

[1] 논문 The Ultraluminous X-Ray Source Population from the Chandra Archive of Galaxies 2004-10
[2] 서적 Dynamics and Evolution of Galactic Nuclei https://openlibrary.[...] Princeton University Press 2013
[3] 논문 A Comparison of Intermediate-Mass Black Hole Candidate Ultraluminous X-Ray Sources and Stellar-Mass Black Holes 2004-10
[4] 논문 An ultraluminous X-ray source powered by an accreting neutron star 2014-10-09
[5] 논문 The Optical Counterpart of M101 ULX-1 2005-02
[6] 웹사이트 How black holes and neutron stars wreak havoc on the interstellar medium (with actual images) https://thewhiteoran[...] 2023-01-18
[7] 웹사이트 Stronger Case for Midsize Black Holes http://www.skyandtel[...] 2003-07-23
[8] 논문 X-ray Spectroscopic Evidence for Intermediate-Mass Black Holes: Cool Accretion Disks in Two Ultraluminous X-Ray Sources 2003-03
[9] 논문 THE ULTRALUMINOUS X-RAY SOURCES NGC 1313 X-1 AND X-2: A BROADBAND STUDY WITH NuSTAR AND XMM-Newton https://iopscience.i[...] 2013-11-13
[10] 논문 The discovery of weak coherent pulsations in the ultraluminous X-ray source NGC 1313 X-2 2019-09-01
[11] 논문 Optical Counterparts of Ultraluminous X-Ray Sources 2002-02-26
[12] 논문 MUSE spectroscopy of the ULX NGC 1313 X-1: A shock-ionised bubble, an X-ray photoionised nebula, and two supernova remnants https://ui.adsabs.ha[...] 2022-10-01
[13] 논문 Study of recent outburst in the Be/X-ray binary RX J0209.6−7427 with AstroSat: a new ultraluminous X-ray pulsar in the Magellanic Bridge? 2020-06-03
[14] 뉴스 Ultra-bright X-ray source awakens near a galaxy not so far away https://ras.ac.uk/ne[...] 2020-06-03
[15] 논문 The Ultraluminous X-Ray Source Population from the Chandra Archive of Galaxies http://adsabs.harvar[...] 2004-10
[16] 논문 A Comparison of Intermediate-Mass Black Hole Candidate Ultraluminous X-Ray Sources and Stellar-Mass Black Holes http://adsabs.harvar[...] 2004-10
[17] 논문 The Optical Counterpart of M101 ULX-1 https://ui.adsabs.ha[...] 2005-02
[18] 웹사이트 Stronger Case for Midsize Black Holes http://www.skyandtel[...] 2003-07-23
[19] 논문 X-ray Spectroscopic Evidence for Intermediate-Mass Black Holes: Cool Accretion Disks in Two Ultraluminous X-Ray Sources http://www.journals.[...] 2003-03
[20] 논문 The Ultraluminous X-Ray Source Population from the Chandra Archive of Galaxies 2004-10
[21] 서적 Dynamics and Evolution of Galactic Nuclei https://openlibrary.[...] Princeton University Press 2013
[22] 논문 XMM-Newton Archival Study of the ULX Population in Nearby Galaxies http://arxiv.org/abs[...] 2006-10
[23] 논문 A Comparison of Intermediate-Mass Black Hole Candidate Ultraluminous X-Ray Sources and Stellar-Mass Black Holes 2004-10
[24] 논문 An ultraluminous X-ray source powered by an accreting neutron star 2014-10-09
[25] 논문 The Optical Counterpart of M101 ULX-1 2005-02
[26] 웹인용 Stronger Case for Midsize Black Holes http://www.skyandtel[...] 2003-07-23
[27] 논문 X-ray Spectroscopic Evidence for Intermediate-Mass Black Holes: Cool Accretion Disks in Two Ultraluminous X-Ray Sources 2003-03
[28] 논문 Study of recent outburst in the Be/X-ray binary RX J0209.6−7427 with AstroSat: a new ultraluminous X-ray pulsar in the Magellanic Bridge? 2020-06-03
[29] 뉴스 Ultra-bright X-ray source awakens near a galaxy not so far away https://ras.ac.uk/ne[...] 2020-06-03


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