두 중성자별의 충돌

죽은 두 별이 어떻게 충돌해 금을 만들어 냈고, 1억 3천만 년 뒤 지구에서 들리고 또 보였는지

단계별로

두 중성자별

각각은 무거운 별의 중심핵이 초신성 폭발로 무너진 뒤 남은 것입니다. 태양보다 큰 질량이 도시만 한 공에 짓눌려 있고, 대부분 중성자로 이루어져 있습니다. 중력이 워낙 강해서 뒤쪽에서 나온 빛도 휘어져 우리 쪽으로 오기 때문에, 실제보다 약 4분의 1 더 커 보입니다.

둘은 각자의 초신성 폭발에서 태어났지만, 서로에게 묶인 채 남았습니다. 그 뒤로 궤도는 계속 줄어들었고, 여기서는 한 시간 남짓 남았습니다. 둘은 바다뱀자리에 있는 은하 NGC 4993에 있습니다.

공간의 잔물결

돌면서 둘은 공간 자체를 뒤흔듭니다. 중력파가 빛의 속도로 퍼져 나가며 공간을 한 방향으로 늘이고 다른 방향으로 누릅니다. 한 바퀴에 두 번씩입니다.

중력파는 에너지를 가져가고, 그 에너지는 궤도에서 나옵니다. 그래서 두 별은 가까워지며 더 빨리 돕니다. 중성자별은 합체가 처음으로 들렸던 블랙홀들보다 훨씬 가벼워서, 중력파는 더 약하고 나선은 훨씬 느립니다.

여기서는 중력파를 궤도면에 그렸습니다. 공간이 늘어나는 곳은 금색, 눌리는 곳은 파란색입니다. 이 단계에서 파동은 1초에 여섯 번 오르내리고, 파동 하나의 길이는 약 5만 km로 지구 폭의 네 배입니다.

점점 더 빠르게

시간을 빨리 감았습니다. 다음 한 시간 동안 두 별의 거리는 1,000 km에서 400 km로 줄고, 1초에 12바퀴까지 빨라집니다. 이제 그 중력파는 LIGO와 Virgo가 들을 수 있을 만큼 빠릅니다.

가까울수록 더 빨리 움직이고 중력파도 더 강해지므로, 궤도는 점점 더 빨리 줄어듭니다. 여기서부터 두 별에게 남은 시간은 100초이며, 그동안 2,000바퀴 가까이 더 돕니다.

중력파의 음높이는 궤도가 1초에 도는 횟수의 두 배입니다. 1초에 24번 진동할 때 두 별은 미국에 있는 LIGO의 두 검출기와 이탈리아의 Virgo가 들을 수 있는 범위에 들어왔습니다. 이 검출기들은 1초에 약 열 번에서 수천 번 진동하는 파동을 잡아냅니다.

마지막 100초

시간을 빨리 감았다가 느리게: 마지막 100초 동안 두 별은 400 km 거리에서 거의 맞닿을 때까지 다가가고, 중력파의 음높이는 1초에 24번에서 천 번 넘게로 올라갑니다.

이것이 LIGO와 Virgo가 들은 소리입니다. 약 100초 동안 수천 번의 진동이 점점 높고 강해졌습니다. 블랙홀 합체가 들려준 찰나보다 훨씬 긴 처프입니다. 소리로 바꾸면 새의 지저귐처럼 올라갑니다.

긴 처프 덕분에 두 별의 무게를 정밀하게 잴 수 있었습니다. 음높이가 얼마나 빨리 오르는지를 정하는 질량 조합은 태양 질량의 1000분의 1 정밀도로 태양 1.19개 질량이었습니다. 각각의 질량은 덜 정확해서, 두 별이 느리게 자전한다면(그럴 가능성이 큽니다) 태양 약 1.46개와 1.27개 질량입니다.

찢겨 나가다

약 2,000배 느리게: 서로의 인력에 늘어난 두 별이 빛의 속도의 40%로 맞닿습니다. 조석력이 별에서 물질의 팔을 뜯어내고, 그 물질은 빛의 속도의 4분의 1에 이르는 속도로 튕겨 나갑니다.

각 별의 가까운 쪽은 먼 쪽보다 상대 별에게 더 세게 당겨지고, 마지막 몇 바퀴 동안 조석력이 별을 일그러뜨립니다. 충돌하는 순간 바깥층이 뜯겨 나가, 돌아가는 정원 스프링클러의 물줄기처럼 휘어진 두 팔이 되어 날아갑니다.

둘이 만나는 곳에서는 충돌이 물질을 짓눌러 수천억 도까지 달구고, 더 많은 물질이 뿜어져 나옵니다. 가장 빠른 것은 극 쪽입니다. 여기서 실제로 무슨 일이 일어나는지는 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션으로만 알 수 있으며, 보이는 모양은 이를 대략 따른 것입니다.

오래 버티기엔 너무 무거운

둘은 태양 약 2.7개 질량의 별 하나가 되어 1초에 수백 번 자전합니다. 오래 버티기엔 너무 무거워서, 잔해 원반에 둘러싸인 블랙홀로 무너집니다.

처음에는 빠른 자전과 열만이 합쳐진 별을 떠받칩니다. 지금까지 발견된 가장 무거운 중성자별도 태양 두 개를 조금 넘을 뿐이며, 이 충돌의 빛은 합쳐진 별이 1초도 안 되어 지름 약 15 km의 블랙홀로 무너졌음을 시사합니다.

주위를 계속 도는 가스는 뜨겁고 두꺼운 원반을 이루고, 블랙홀은 약 1초 만에 이를 삼키거나 날려 보냅니다. 여기서는 시간을 처음엔 느리게, 그다음엔 빠르게 했고, 튕겨 나간 물질 구름은 별과 블랙홀이 보이도록 투명하게 그렸습니다.

감마선 제트

그 축을 따라 가느다란 제트가 거의 빛의 속도로 뿜어져 나옵니다. 여기서 보라색으로 그린 그 감마선은 중력파보다 1.7초 늦게 지구에 도착했습니다.

제트는 아마도 블랙홀의 자전과 원반의 자기장이 밀어내는 것입니다. 제트는 먼저 튕겨 나간 물질을 뚫고 나가야 했습니다. 어떤 눈으로도 볼 수 없을 만큼 에너지가 큰 그 감마선이, 천문학자들이 짧은 감마선 폭발이라 부르는 짧은 섬광입니다.

NASA의 페르미 위성이 약 2초 동안 이어진 이 GRB 170817A를 포착했습니다. 제트가 우리 쪽을 향하지 않아 유난히 희미했습니다. 나중에 전파 영상으로 제트가 약 20도 비껴 있었음이 드러났습니다. 1억 3천만 년을 여행한 뒤 중력파보다 1.7초 늦게 도착함으로써, 중력이 빛의 속도로 전달된다는 것을 10¹⁵분의 1 정밀도로 보여 주었습니다.

킬로노바

시간을 빨리 감았습니다. 튕겨 나간 물질, 지구 약 2만 개 질량이 그 속의 새 무거운 원소들이 붕괴하면서 빛납니다. 이 빛, 킬로노바는 태양 수억 개처럼 빛났습니다.

새로 생긴 원자들은 불안정해서 몇 시간, 며칠에 걸쳐 붕괴하며 구름을 안에서 데웁니다. 백색왜성 표면의 폭발인 신성(노바)보다 약 천 배 밝아서 2010년에 킬로노바라는 이름이 붙었습니다. 이것은 처음으로 관측된 킬로노바였습니다.

충돌 11시간 뒤 처음 발견되었을 때 태양 약 2억 7천만 개처럼 빛나고 있었고, 이미 어두워지고 있었습니다. 처음 몇 시간은 관측되지 않았으므로 여기서는 모형을 따랐습니다. 색은 푸르스름한 흰색, 온도는 약 1만 도였고, 빛의 속도의 거의 3분의 1로 부풀고 있었습니다.

금과 백금

며칠을 빨리 감았습니다. 푸르스름한 흰색에서 붉은색으로 식으며 어두워집니다. 그 빛은 철보다 무거운 원소가 만들어지고 있음을 보여 줍니다. 스트론튬이 발견되었고, 금과 백금도 만들어졌습니다.

충돌 후 첫 1초 동안 튕겨 나간 물질에는 중성자가 워낙 많아서, 원자들은 붕괴하는 것보다 빨리 중성자를 흡수하며 철보다 훨씬 무거운 원소를 쌓아 올렸습니다. 이를 빠른 과정, 곧 r-과정이라 합니다. 철보다 무거운 원소의 약 절반이 이렇게 만들어진다고 여겨집니다.

금, 백금과 함께 만들어지는 란타넘족이라는 무거운 원자들은 파란 빛을 가로막습니다. 그래서 구름이 옅어질수록 빛은 붉어지고 이어 적외선이 됩니다. 2019년에는 그 빛에서 스트론튬이 확인되었습니다. 금이 얼마나 만들어졌는지는 덜 확실하여, 추정치는 지구 질량의 몇 배에서 몇백 배까지입니다.

지구에서 본 모습

2017년 8월 17일 12시 41분(UTC), 중력파가 지구를 휩쓸고 지나갔고 1.7초 뒤 감마선이 도착했습니다. 11시간 뒤 칠레의 망원경이 은하 NGC 4993에서 새로운 빛을 찾아냈습니다.

LIGO의 두 검출기와 Virgo는 함께 발생원을 바다뱀자리의, 달 면적의 약 130배 되는 하늘 영역과 약 1억 3천만 광년의 거리로 좁혔습니다. 전 세계 망원경이 어두워지자마자 그곳의 은하들을 샅샅이 뒤졌습니다.

처음 찾아낸 것은 칠레 라스캄파나스 천문대의 스워프 망원경이었습니다. NGC 4993의 중심 근처에 새로 나타난 빛의 점이었습니다. 며칠 만에 일곱 대륙과 우주의 약 70개 천문대가 감마선부터 전파까지 이를 관측했습니다. 여기서 은하는 간단한 모형으로 그렸습니다.

들리고, 또 보이다

같은 사건이 중력파로 들리고 빛으로 보인 것은 처음이었습니다. 우주의 금 상당 부분이 어디서 만들어지는지를 보여 주었습니다.

이 사건은 중성자별 충돌이 짧은 감마선 폭발을 일으키고 무거운 원소를 만들어 내며, 중력파가 빛의 속도로 전달된다는 것을 증명했습니다. 중력파의 세기로 거리를 알았고, 은하가 멀어지는 속도로 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 재는 새로운 방법을 얻었습니다.

며칠 뒤 X선이, 이어 전파가 나타났습니다. 제트의 잔광으로, 몇 달 동안 계속 밝아졌습니다. 2019년 검출기들은 또 다른 중성자별 쌍의 충돌을 들었지만 빛은 찾지 못했습니다. 2025년까지도 이것은 들리고 또 보인 유일한 충돌이었습니다.

두 중성자별의 충돌

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