블랙홀과 초신성의 작용을 조사하는 X선 센서

블랙홀과 초신성의 작용을 조사하는 혁신적인 X선 센서, 일본의 XRISM 우주 망원경의 등장에 과학계에서는 "고에너지 우주의 비밀을 찾을 것"이라는 기대가 이어지고 있습니다.

 

일본 항공 우주 탐사국(JAXA)의 한 과학자는 "첫 번째는 궤도에 도달하지 못했고, 두 번째는 우주에 도착하자마자 헬륨 냉각제가 실수로 버려지면서 사망했으며, 세 번째는 우주선이 치명적인 회전으로 부서지기 전까지 37일 동안 지속되었다"라고 이야기했습니다. 일본 항공 우주 탐사국은 천문학자들에게 이번 네 번째 도전이 초신성, 블랙홀 주변, 은하단 내부 뜨거운 가스에 대한 전례 없는 시각을 제공할 혁신이 되기를 바라고 있습니다.

 

이들 기관은 "오랫동안 X선 장비의 과제였던 작업을 수행하기 위해 나사가 개발한 장치가 장착된 망원경 프로젝트를 시작하겠다"라고 발표했습니다. 발표에 따르면 연구자들은 광선의 파장, 프리즘이 가시광선을 분할하는 방식, 상세한 X선 분광법 등을 통해 뜨거운 가스를 볼 수 있을 뿐만 아니라 가스가 무엇으로 구성되어 있는지, 어떻게 움직이는지 발견할 수 있습니다. 사우샘프턴 대학교의 천체 물리학자 포삭 간디는 "이것은 완전히 새로운 종류의 탐지기입니다"라고 평가했습니다.

 

지구의 대기는 엑스레이를 차단하기 때문에 천문학자들은 엑스레이를 보기 위해 우주로 가야 합니다. 그곳에서도 엑스레이 이미지를 만드는 것은 어려운 일, X선은 기존 거울을 곧바로 통과하기 때문에 중첩된 원통형 거울에서 반사되어 광자를 모은 뒤 초점을 맞춰야 합니다. 이러한 접근 방식을 사용하는 X선 망원경은 우주에서 눈에 보이는 물질의 절반 이상을 구성하는 뜨거운 가스를 이미지화할 수 있습니다. 간디는 "그러나 천문학자들은 더 많은 것을 원한다. 우리는 엑스레이 빛의 다양한 색상을 구별할 수 있어야 한다"라고 이야기했습니다.

 

일반 분광계는 엑스레이, 특히 확장된 소스에서 나오는 고에너지 광자로 인해 어려움을 겪습니다. 1990년대 나사 고다드 우주 비행 센터의 엔지니어들은 개별 X-선 광자의 에너지를 측정할 수 있는 미세 열량계라는 칩 기반 센서를 개발했습니다. X선이 열량계의 텔루르화 수은 픽셀 중 하나에 부딪히면 전자가 떨어져 나와 모든 에너지가 전자로 전달되는데 전자는 픽셀 주위를 튕겨서 픽셀의 온도를 아주 조금만 올리고 인접한 온도 센서를 따뜻하게 합니다. 원래 광자의 에너지를 나타내는 이러한 작은 양의 열을 등록하기 위해서는 전체 장치를 절대 영도의 1/20도까지 냉각해야 합니다.

 

천문학자들은 JAXA의 세 번째 시도였던 히토미 망원경을 통해 미세 열량계의 성능을 맛봤습니다. 지난 2016년 임무가 치명적인 회전으로 중단되기 전에, 천문학자들은 페르세우스 은하단과 소수의 다른 물체에 대한 획기적인 관측을 수행했습니다. 나사의 XRISM 프로젝트 과학자인 브라이언 윌리엄스는 "우리는 약속의 땅을 잠깐 보았지만 들어갈 수는 없었다"라고 회상했습니다. XRISM에 대한 스위스-네덜란드 기여의 수석 조사관이자 네덜란드 우주 연구소의 엘리사 코스탄티니는 "그 몇 주 동안 히토미 망원경은 단일 지적을 통한 변혁적 과학을 수행했다고 그것이 얼마나 필요한지 증명했다"라고 말했습니다.

 

페르세우스 클러스터는 우주에서 가장 거대한 물체 중 하나로, 5천만 K로 가열된 가스 바다에서 헤엄치는 수천 개 은하의 집합체입니다. 히토미 망원경의 미세 열량계를 사용한 연구자들은 가스의 엑스레이에서 불타는 듯한 빛깔을 비롯해 전례 없는 세부 사항을 볼 수 있었습니다. 연구자들은 철과 같은 특정 원소를 드러내는 스펙트럼의 스파이크를 발견했으며, 이는 어떠한 유형의 초신성이 무거운 원소를 우주로 뿜어냈는지 보여줬습니다. 놀랍게도 화학적 제조법은 태양의 제조법과 매우 유사했으며 이상할 정도로 친숙해 보였습니다.

 

연구원들은 또한 가스의 움직임으로 인해 일부 스파이크가 번지는 것을 확인했습니다. 그러나 성단의 가스는 소용돌이 이론가들이 예상했던 것과는 달리 그다지 많지 않았고 놀랍게도 조용했습니다. XRISM의 첫 번째 작업 중 하나는 다른 클러스터를 조사하여 페르세우스가 이상한지 아니면 표준인지 확인하는 것이었습니다. XRISM의 수석 조사관인 사이타마 대학의 타시로 마코토는 "그것이 히토미가 남긴 숙제"라고 강조했습니다.

 

XRISM은 은하단 외에도 초신성 잔해와 블랙홀 주위를 소용돌이치는 뜨거운 가스, 은하 중심의 초거대 질량과 동반성에서 물질을 빨아들이는 항성 질량을 연구했습니다. 간디는 "X선 망원경으로 우주에서 블랙홀을 찾는 것은 정말 쉽다"라며, "그렇게 쉽지 않은 것은 소용돌이치는 물질이 어떻게 움직이는지, 그중 일부가 주변 은하계로 폭발하여 별 형성과 은하계의 진화에 영향을 미치는지를 아는 것"이라고 덧붙였습니다.

 

콘스탄티니는 "유출 중 일부는 초당 수백 킬로미터의 속도로 이동하는 것으로 알려져 있지만, 수백 배 더 빠른 바람이 불고 있다는 힌트가 있으며 이는 호스트 은하계에 심각한 영향을 미칠 수 있다"라고 말했습니다. 이어 그는 "우리가 모르는 것이 많다"라고 덧붙였습니다. JAXA는 1억9천만 달러 규모의 XRISM이 이전 버전의 운명에 굴복하지 않도록 열심히 노력해 왔으며, 그 결과 개선된 자세 제어 시스템, 재설계된 냉각수 배관, 3년 안에 헬륨이 고갈된 후에도 작동할 수 있는 백업 기계식 냉각기를 갖췄습니다. 타시로는 “XRISM은 히토미 망원경보다 다른 장비가 적지만, 분광학이 가장 강력한 포인트이며 과학을 확장할 수 있다"라고 자신감을 드러냈습니다.

 

XRISM에 대한 희망은 엑스레이 천문학의 어려운 시기를 밝혔습니다. 이 분야는 나사의 찬드라 엑스선 관측선과 유럽 우주국(ESA)의 XMM-뉴턴이라는 두 가지 주요 임무에 크게 의존하고 있습니다. 이 두 임무는 모두 설계 수명인 20년을 훨씬 넘겼습니다. 찬드라 엑스선 관측선의 소장 패트릭 슬레인은 "찬드라의 건강은 전반적으로 매우 좋다"라고 주장하면서도 "그러나 필터의 침전물이 감도를 감소시키고 반짝이는 열 차폐 기능이 저하돼 과열로 이어진다"라고 문제를 짚었습니다. XMM-뉴턴의 경우에도 탐지기가 노후화되고 있지만, ESA의 임무 수석 조사관 노버트 샤르텔은 "여전히 과학을 수행할 수 있다"라고 자신했습니다.

 

ESA 팀은 이를 통해 적어도 2030년까지 지속될 수 있는 충분한 추진제를 뽑아내기를 바라고 있습니다. 케임브리지 대학의 지아첸 지앙은 "망원경 중 하나라도 일찍 죽으면 현장에 손실이 될 것"이라고 우려했습니다. 그럼에도 2030년대 중반까지는 교체가 이루어지지 않을 것이란 관측이 나오고 있으며 이는 XRISM의 성공적인 출시에 대한 위험을 더욱 높이고 있습니다. XRISM은 찬드라 엑스선 관측선, XMM-뉴턴과 같은 범용 시스템이 아니지만, 윌리엄스는 "이것이 2020년대의 주요 엑스레이 임무가 될 것"이라고 내다봤습니다.