동역학적 포획에 의한 중성자별 병합

초록

밀집된 천체 군집에서 동역학적 포획으로 형성된 두 중성자별이 일반 상대성론 수치 유체역학 시뮬레이션을 통해 합병할 때, 충돌 각도와 중성자별 내부 상태 방정식에 따라 즉시 블랙홀로 붕괴하거나 과대질량 중성자별을 형성한다. 최대 0.1 태양질량의 원반과 수 퍼센트 수준의 비구속 물질이 방출되며, 중력파와 전자기 파면에서 특이한 신호를 기대할 수 있다.

상세 분석

본 연구는 구상성단이나 핵밀도 높은 은하핵 등에서 발생할 가능성이 높은 ‘동역학적 포획’ 상황을 대상으로, 두 중성자별이 비원형 궤도로 접근해 급격히 충돌·합병하는 과정을 고해상도 일반 상대성론 수치 유체역학으로 재현하였다. 시뮬레이션은 다양한 충격 파라미터(접근 거리와 상대 속도)와 여러 핵물질 상태 방정식(연성, 강성) 조합을 적용해, 각각이 최종 결과에 미치는 영향을 정량화한다. 핵심 결과는 다음과 같다. 첫째, 충돌 각도가 작아 충격이 강하게 집중될 경우, 질량이 평균 2.7 M☉ 수준인 두 별이 즉시 블랙홀로 붕괴한다. 반면 충돌 각도가 크게 늘어나 충격이 분산되면, 과대질량 중성자별(HMNS)이 일시적으로 형성되고, 수 밀리초에서 수 초에 걸쳐 회전과 차압에 의해 지탱된다. 둘째, HMNS가 형성될 때는 원반이 형성되며, 그 질량은 최대 0.1 M☉에 달한다. 원반 물질은 고온·고밀도 상태를 유지하면서 뮤온·중성미자 방출을 통해 에너지를 손실하고, 장기적인 원반 진화와 제트 형성에 기여한다. 셋째, 비구속 물질(ejecta)은 전체 질량의 1–5 % 수준으로 방출되며, 속도는 0.1–0.3 c에 이른다. 이러한 고속 물질은 라이트 커브가 빠르게 상승하는 킬로노바(kilonova)와 장기적인 라디오 잔광을 유발한다. 넷째, 중력파 파형은 전통적인 원형 이진과는 뚜렷히 구별된다. 초기 급격한 파동과 그 뒤를 잇는 고주파 진동이 특징이며, 특히 HMNS 단계에서 발생하는 고주파 진동은 차세대 지구 기반 탐지기의 감도 범위에 들어온다. 마지막으로, 충돌 파라미터와 상태 방정식에 따라 전자기 방출 특성이 크게 달라지므로, 관측된 킬로노바와 라디오 잔광을 통해 원천 사건의 물리적 조건을 역추정할 수 있는 가능성을 제시한다.