마이크로퀘이사의 물리적 특성 연구

퀘이사는 우주에서 발견된 천체들 중에서 가장 밝고 활동적인 천체로서 블랙홀이 주변 물질물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성된다. 퀘이사의 밝기는 태양의 약 2조 배에 달하고 우리 은하의 약 백배에 달한다. 마이크로퀘이사는 일반적인 퀘이사와 비교하여 크기와 질량 등이 백 만분의 일 정도로 작다고 알려져 있으며 이것이 이 천체 이름의 유래가 되었다.

마이크로퀘이사들의 에너지 공급원은 동반성으로부터의 질량유입이며, 상대론적인 별들의 조사(irradiation)와 동반성로부터의 질량유입 피드백은 각기 달라 마이크로퀘이사들의 출력(파워)을 이해하는데 가장 기본적인 과정이다. 또한 무거운 별의 진화 초기에 발생하는 플레어 및 제트는 별의 전 일생의 진화과정을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 따라서, 별 진화 초기 단계의 플레어 및 제트를 이해하는 것은 그 자체 현상들의 물리적 원리를 이해하는데 그치지 않고,  무거운 별들의 진화를 통해 마이크로퀘이사들의 동반성 및 질량유입을 이해하는데 결정적으로 중요하다. 또한, 별의 탄생에서부터 별의 “죽음”인 블렉홀, 중성자 별 및 백색왜성이 만드는 마이크로퀘이사 현상 까지, 모두 공통적인 강착원반-제트 피드백이 기본적으로는 같은 원리들을 가져야 하므로, 서로를 비교 분석해서 기본적인 공통원리를 찾는데 별 진화 초기 및 마이크로퀘이사의 강착-분출 현상의 비교연구는 아주 중요하다.

마이크로퀘이사의 강착원반과 제트의 상호관계 연구

강착원반은 천체물리학에서 흔히 볼 수 있는 현상으로, 이 원반의 상태변화는 중심 천체 주변의 천체물리학적 제트(Jets)를 발생시키는데 밀접한 작용을 한다. 별의 진화단계를 보여주는 아래 그림에서 강착원반과 밀접한 관련이 있는 다른 단계의 진화시기를 노란색 점선으로 표시했다. 그 중심별들은 원시별, 백색왜성, 중성자별, 블랙홀로서 주변의 물질들을 유입(mass transfer rate) 및 강착(accretion)해서 만든 강착원반(accretion disk)이 형성 되며 다량의 물질이 분출되는 제트 및 플레어 현상이 관측되고 있다.

1970년대에 급진전한 강착원반 이론(대표적으로 Shakura & Sunyaev 1973)은 초기에 별 질량의 블랙홀 X-선 이중성(마이크로퀘이사: Microquasar)를 중심으로 출발하여 발전하여 왔지만 최근의 radiation inefficient accretion flow(RIAF) 및 MHD 강착 이론들은 초거대 블랙홀인 AGN에서도 적용되고 있다(Blandford et al. 2018). 또한 원래 AGN을 대상으로 제안된 기체 및 먼지 원반 이론(Lynden-Bell 1969)은 곧 바로 원시별 T Tau 별들에 제트 현상의 해석에 적용되었고 (Lynben-Bell & Pringle 1974), 별의 진화 마지막 단계의 블랙홀, 중성자별, 백색왜성에서 형성되는 X-선 이중성 시스템을 설명하기 위한 Shakura-Sunyaev 이론으로 응용되었다. 이뿐만 아니라 중성자 별 이중성을 중심으로 개발된 자기 이중극 강착 원반 이론(Shklovskii 1967)도 현재는 격변광성(백색왜성 이중성) 및 원시별에 유사하게 적용된다(Pudritz 2019).

이렇듯 별의 진화단계의 강착원반에 대한 이론들은 특정한 단계에만 적용되는 것이 아니라 강착원반이 형성되는 다른 시기에도 그 이론들이 적용되며, 상호보완적으로 발전하고 있다. 하지만 이러한 이론들은 관측현상들에 적용되어 발전하는 것이 중요하며, 관측적 결과들이 이론의 발전에 중요한 실마리를 제공한다. 그러므로 통합적인 강착원반과 제트의 상호관계에 관계성을 알기위해서는 각기 다른 진화단계에 있는 별들의 강착원반과 관련된 제트 및 분출물 관측연구가 필요하다.

마이크로퀘이사 플레어 초기의 turn over frequency 추적 및 편광연구

백색왜성 이중성들 중에서 변광이 큰 천체들을 격변광성(cataclysmic variables)이라고 하며, 다양한 종류가 있다. 그 중에서도 특히 왜신성(dwarf novae), 자기 이중극형(interemdiate polar) 및 신성(novae)은 특히 플럭스 변화가 수백에서 수 천배 이상이며, 이전의 ~1 GHz까지의 관측 결과들은 플레어 초기부터 극대값 동안 주파수가 높아지면 밝기도 밝아지는 양수의 spectral index 값을 가진다(Marsh et al. 2016 Nature, Truskin et al 2017). 이러한 현상은 블랙홀, 중성자별을 포함한 마이크로 퀘이사에서도 나타난다.

강착원반이 형성된 중심별 근처에서 일어나는 양수의 spectral index 상태를 보이는 플레어 상태 초기의 8GHz에서 250GHz 사이의 turn over frequency를 조사한 자료는 일반적으로 백색왜성, 중성자별, 블랙홀 순으로 질량이 증가하고, 중성자별, 백색왜성, 블랙홀 순으로 자기장이 높아진다고 알려져 있다 이것을 고밀도별의 특성과 비교하여 관측된 고주파수에서의 trunover frequency가 중심별의 질량변화 혹은 자기장의 상관관계를 파악하면 제트의 초기 형성에 질량과 자기장의 효과에 대한 실마리를 찾을 수 있다.