블랙홀과 고에너지 현상

블랙홀과 고에너지 현상

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Description
『블랙홀과 고에너지 현상』은 현재 블랙홀에 대한 연구가 어떻게 진행되고 있는지 생생하게 다루고 있다. 블랙홀을 연구하려면 그 선구 천체라 할 수 있는 백색왜성이나 중성자별의 설명이 필요하다. 따라서 회전과 자기장, 난기류 등 풀기 어려운 요소에 따라 진화하는 항성과 쌍성계는 우연으로 어떤 상대와 짝을 이룰지 결정된다.

특히 백색왜성, 중성자성, 블랙홀 같은 고밀도별은 상대별에 따라 다양한 고에너지 현상을 일으키는데 격변변광성, X선 천체, 초신성 등이 그렇다. 이 천체들은 상식을 뛰어넘는 강중력 천체이며 이를 통틀어 고밀도 천체, 또는 밀집천체라고 일컫는다. 이 강중력 천체들은 고에너지 현상이라는 공통점이 있으며, 이 분야를 고에너지 천문학이라고 한다.

이 책에 자주 등장하는 X선 천문학은 그중에서도 가장 큰 성과를 올린 분야이다. 이 책에서는 X선과 같은 기존 전자기파에서 볼 수 있는 고에너지 현상뿐 아니라, 우주선이나 새로운 눈, 뉴트리노 등을 수단으로 하는 입자선粒子線 천문학, 더 나아가 미개척 분야라고도 할 수 있는 중력파 천문학에 대해서도 다룬다.
저자

고야마가쓰지

저자고야마가쓰지는교토대학특임교수

목차

시리즈를발간하며
머리말

시리즈를발간하며9
머리말11
제1장고밀도천체
1.1백색왜성/1.2중성자별/1.3블랙홀

제2장고밀도천체로의물질강착과진화
2.1근접쌍성계와질량운반/2.2강착원반/2.3백색왜성으로의질량강착/2.4중성자별로의질량강착
2.5항성질량블랙홀로의질량강착/2.6대질량블랙홀로의질량강착/2.7활동은하핵과X선배경복사

제3장고밀도천체로부터의질량방출
3.1우주제트/3.2제트의동역학/3.3우주제트의모형

제4장미립자와중력파천문학
4.1우주선/4.2우주선에서의전자복사,가속이론/4.3우주선기원천체의관측/4.4뉴트리노천문학/
4.5중력파천문학

제5장감마선폭발
5.1감마선폭발의여러현상/5.2감마선폭발의물리구조

참고문헌

출판사 서평

《현대의천문학시리즈》는…
관측기술이발달하여인류가볼수있는우주가크게넓어짐에따라천문학은놀라운추세로발전하고있으며,천문학에대한사람들의관심또한급격히높아지고있다.우주의끝으로나아가려는인류의끝없는노력으로인류의시선은현재129억광년너머의은하에까지다다랐다.이러한시기에천문학연구의최전선에있는연구자들이천문학이나우주에관심이있는고등학생정도의수준이라면누구나이해할수있을정도로천문학의기초를설명하고자신들의최신연구성과를보여주는《현대의천문학시리즈》(전17권)를번역출간하게되었다.
비록일본천문학연구자들의성과물이기는해도21세기우주시대를살아갈청소년은물론,천체와우주에관심을갖고있는모든사람에게빠르게발전해가는천문학의기초와현재그리고미래를알게함으로써천문학에대한이해를높여줄뿐만아니라앞으로점점더치열해질우주연구에서경쟁력을높일수있는이론적토대가되기에전혀손색이없다고판단했다.
이와더불어그동안다소미흡했던천문학분야에서한?일간학술교류의장을마련하고더불어일본의천문학연구를타산지석으로삼아우리나라천문학연구의미래를가늠해보는기회가되었으면하는바람으로전체17권에이르는방대한《현대의천문학시리즈》의번역,출간하기로결정하였다.
다소전문적인내용을독자들이쉽게이해할수있도록정확하고충실한번역을하기위해서각권별로전문전공자가운데실무와교육에두루경험이풍부한덕망있는분들이번역을맡았다.《현대의천문학시리즈》는천문학의생생한현재를접하는기회를제공함은물론,우주를향해멋진꿈을키워나가는이들에게작은밑거름이되었으면한다.

별탄생과은하생성의전체상을이해하는열쇠,
블랙홀에서벌어지는다채로운물리적?천문학적현상을살펴보다!

#오랫동안베일에싸인블랙홀,다양한연구과정을거쳐마침내그실체를정리한결과물!

제8권의주인공은‘블랙홀’이다.물질은자체중력으로붕괴하면서특이점이나타나는데,주변으로빛조차빠져나가지못하는경계(사상의지평또는사건의지평)를만든다는점이다.결국물체는사건의지평선을향해빨려들어감으로써어떤정보도얻을수없게된다.이것이바로블랙홀이다.
블랙홀이라는단어가등장한지50년가까이되었지만,블랙홀만큼사람들의상상력을자극하고SF에자주등장하는인기천체가된예는그리많지않다.블랙홀은전파,광·적외선,X선등의관측,또수치계산의빠른진보와발전에따라상상의산물에서실제로존재하는특이천체로확고히자리매김하게되었다.
이번책에서는현재블랙홀에대한연구가어떻게진행되고있는지생생하게다루고있다.블랙홀을연구하려면그선구先軀천체라할수있는백색왜성이나중성자별의설명이필요하다.따라서회전과자기장,난기류등풀기어려운요소에따라진화하는항성과쌍성계는우연으로어떤상대와짝을이룰지결정된다.특히백색왜성,중성자성,블랙홀같은고밀도별은상대별에따라다양한고에너지현상을일으키는데격변변광성,X선천체,초신성등이그렇다.이천체들은상식을뛰어넘는강중력천체이며이를통틀어고밀도천체,또는밀집천체라고일컫는다.이강중력천체들은고에너지현상이라는공통점이있으며,이분야를고에너지천문학이라고한다.
이책에자주등장하는X선천문학은그중에서도가장큰성과를올린분야이다.이책에서는X선과같은기존전자기파에서볼수있는고에너지현상뿐아니라,우주선이나새로운눈,뉴트리노등을수단으로하는입자선粒子線천문학,더나아가미개척분야라고도할수있는중력파천문학에대해서도다룬다.
블랙홀은이론으로만가능한가공의이야기로여겨왔으나1930년대후반에이르러항성의진화이론이점차정비되면서대질량성이진화하면중심부는엄청나게고밀도가된다는것을알게되었고,결국중심부는중력으로붕괴되면서슈바르츠실트반지름보다작아져블랙홀이나타날가능성이있음을논의하게되었다.
‘블랙홀’이라는단어를처음사용한사람은휠러J.Wheeler로1967년의일이었다.1980년대중반에는주춤했지만1990년대중반부터다시블랙홀연구는황금기에들어섰다.이는관측기술의진전에힘입은바가크다.따라서이책의내용가운데많은부분이1990년대부터의진전을다루고있다.한마디로정리하면‘우주의다양한장소에다양한질량의블랙홀이분명히실재하며,다채로운물리적·천문학적인현상을펼치고있음을알게되었다’일것이다.
실재하는블랙홀제1호인백조자리X-1은1962년에시작된X선천문학역사의아주초기부터백조자리에있는강한X선원의하나로알려졌다.백조자리X-1을필두로하여현재는은하계에서스무개정도의블랙홀후보천체가알려져있다.그대부분은때때로갑자기X선으로밝아지는돌발Transient천체로,세기변동에따른X선성질의변화가백조자리X-1과많이비슷하다.
오랫동안베일에싸여있던은하중심에서볼수있는대질량블랙홀의형성과정이2000년무렵부터그실마리를풀수있는현상들이발견되었다.그것은항성질량블랙홀과대질량블랙홀중간에위치하며중질량블랙홀의후보이다.

젊은대질량성단에서는높은밀도때문에별들끼리폭주적으로합체하여일상적으로만들어질수없는대질량(태양의수백배)별이만들어질가능성이있다.별들은항성풍으로바깥층의질량을잃기전에중심부의중력붕괴를일으켜중질량블랙홀을만든다.이블랙홀은근처의항성을포획하여초고광도X선원으로반짝이고가스를대량빨아들여질량이더커진다.성단은중질량블랙홀을에워싸고동적動的마찰로은하중심을향해낙하한다.이렇게하여은하중심부근에는많은중질량블랙홀이모이고,이블랙홀들이서로합체하여하나의대질량블랙홀을이룬다.

#고에너지광자를이용해블랙홀과주변의물리현상을밝히다!

블랙홀은전자기파뿐아니라물질(이나자기장)도방출한다.주변의우주공간에미치는영향도크다.블랙홀은단독으로는빛나지않으며질량이강착해야비로소고에너지광자를격렬하게방출한다.이고에너지광자를이용해블랙홀과그근방의물리현상을밝혀내는것이현대천문학의큰과제이자이책의목적이기도하다.
블랙홀신성은젊은종족에속한다.우주근처의은하중심에는대질량블랙홀이보편적으로존재하며그질량은벌지의질량또는광도와밀접하게관련되어있다.이사실은일반적으로X선광도는블랙홀질량을반영하므로,위의결과는우주역사에서대질량블랙홀일수록일찍형성되었고,소질량블랙홀일수록그후에형성되었음을시사한다.이러한경향을다운사이징(downsizing,또는반계층적진화)이라고한다.
한편,작은천체블랙홀이대표적인고밀도천체는물질을흡입하고반짝이기만하는것은아니다.의외로고속제트기류를분출하기도한다.전파에서가시광,또X선에까지이르는관측기기의진보에따라그정체를더욱분명하게드러내는것이있는데,우주제트(천체물리학제트,AstrophysicalJets)라불리는천체현상이다.
‘우주제트’란중심천체계에서쌍방향으로분출되는조밀하게응축된플라스마의분출류Outflow이다.그중심에는원시별,백색왜성,중성자별이나블랙홀처럼중력을미치는천체가존재하며,중심천체주변에는가스로만들어진강착원반이소용돌이치는것으로추측된다.우주제트는그존재자체가불가사의하며흥미있는천체현상으로볼수있지만우주적으로는어떤의미가있을까.
먼저,우주제트를움직이는동력으로생각되는강착원반은주위환경에서낮은엔트로피가스를흡수하고,강착원반내부에서가스의중력에너지를변환처리하여높은엔트로피열이나복사로외부에버린다.강착원반중심이블랙홀인경우,가스는최종적으로블랙홀로빨려들어가본디지니고있던정보의대부분을잃고만다(질량과각운동량만남는다).이같은상황에서우주제트는유일하게많은정보를가진가스로주위환경에되돌아오는실체이다.더구나원소조성이나자기장등의정보뿐만아니라제트의모양이나크기등여러가지정보를지닌다.
활동은하핵,미세퀘이사,감마선폭발에서는상대론적인제트가관측되고있어그중심에블랙홀이있는것으로생각된다.블랙홀근방에서의제트형성을정확히계산하려면일반상대론을고려한전자기유체역학방정식을풀어야만한다.요즘컴퓨터의발달로이와같은계산도충분히가능해졌다.
따라서중력파를검출함으로써블랙홀의탄생이분명해지고,더나아가그질량과회전을결정지을수있게되었다.일부X선쌍성계에서는중성자별표면에강착한물질이폭주적인열적반응을일으킴으로써X선폭발현상이발생한다.감마선폭발또한갑자기폭발적으로발생한다는점에서X선폭발을비롯한고에너지돌발현상의하나로볼수있다.다만그지속시간이나광도곡선은천차만별로,지속시간이10밀리초인아주짧은폭발부터1000초이상되는것까지다양하다.
가시광에서의감마선폭발잔광을발견함으로써감마선폭발위치를정확히결정할수있었음은물론,감마선폭발대응천체까지밝혀낼수있었다.많은감마선폭발에대해모천체로생각되는은하가발견되었고,그가시광의분광관측에서모은하의적색이동(즉거리)을결정지을수있게되었다.2005년에잇달아‘짧은감마선폭발’대응천체가여러개발견되었다.‘긴감마선폭발’과달리‘짧은감마선폭발’은타원은하나소용돌이은하의바깥쪽,즉별탄생이활발하지못한영역에가시광잔광이있다는것이밝혀졌다.이로써‘짧은감마선폭발’은쌍성계를이루는중성자별끼리,또는중성자별과블랙홀이충돌·합체할때생성되는폭발일것이라는설이다시각광받게되었다.
우리는작은영역에서거대한에너지가자유롭게방출되면불덩어리가만들어지고,거기에중입자가적은양으로적당하게포함되면상대론적속도까지가속될수있음을알게되었다.그러나관측가능한광구반지름의바깥쪽에서대부분의에너지는운동에너지로바뀌기때문에이대로는감마선폭발이일어나지않는다.어떤방법으로든운동에너지를복사에너지로바꿀필요가있다.현재로써는이방법을충격파로생각하고있다.이러한과정을거쳐서서히블랙홀과고에너지현상에대한수수께끼를밝히고있지만아직도확실한것은아니다.그만큼광대한우주에서펼쳐지는현상들은인간의상상력을초월한다.그렇기에우주에서일어나는모든현상은인간의호기심을자극하기에충분한,더없이매력적인부분이라할수있다.