신비의 중성자 별... > 행 성

사상 최고 속도로 날아간 별이 포착되었다고 해외 과학 매체들이 보도했다.

미항공우주국의 찬드라 X선 관측소의 천문학자들은 RX J0822-4300라는 중성자별을 5년 동안 관측했다.

이 중성자별이 3,700년 전 폭발한 초신성 ‘퍼피스 A’의 잔여물로부터 튕겨져 나간 속도는 시속 300만마일(시속 480만 km)이다. 이는 초속 1333km의 가공할 속도에 해당한다. 천문학자들은 이 별에 “우주 대포”라는 별명을 붙였다.

두 별은 한때 ‘동반 별’이었으나 비균형 폭발이 일어나면서 중성자별이 대포알처럼 날아가게 된 것이다.

이 중성자별의 이동 속도는 이론의 한계를 넘는 것이기도 하다. 우리 은하계에서 발견된 “초속도” 별들의 속도는 시속 100만마일 가량이었다. 또 기존의 초속도 별들은 우리 은하 중심에 있는 막강한 블랙홀에 의해 움직인 것으로 추정된다. RX J0822-4300은 세 배의 속도로 이동할 뿐 아니라, 그 폭발적 질주의 원인도 다르다.

화제의 중성자별은 시속 3백만 마일의 속도로 우리 은하를 영원히 떠나게 된다. 그러나 우리 은하를 완전히 벗어나려면 수백만 년은 걸릴 것이라는 게 과학자들의 설명.

관련 논문은 ‘전체물리학 저널’ 11월 20일자에 실렸다.

중성자별은 항성 진화에서의 종점의 하나이다. 중성자별은 무거운 항성이 항성 진화의 마지막 단계에서 II형, Ib형 혹은 Ic형 초신성을 겪은 다음에 남게 되는 핵이 중력 붕괴를 거치면서 만들어진다.

일반적인 중성자별은 태양 질량의 1.35배에서 2.1배에 해당하는 질량을 가지는 반면, 태양 반지름의 1/30,000에서 1/70,000에 해당하는 10-20 킬로미터의 반지름을 가진다. 그러므로 중성자별의 밀도는 원자핵의 밀도와 맞먹는 8×1013-2×1015 g/cm³수준이다. 반면, 찬드라세카 한계, 즉 태양 질량의 1.44배 보다 가벼운 항성은 백색왜성으로 변하며, 태양 질량의 3배 내지 5배 이상의 무거운 별은 중력 붕괴를 거친 후 블랙홀로 변하게 된다.

중성자별은 원래의 별이 지니고 있던 각운동량의 대부분을 유지하는 반면, 중력으로 인해 반지름은 매우 작아져있는 상태이므로, 1.07초에서 30초 정도에 한바퀴라는 매우 빠른 자전 속도를 보이게 된다. 또한, 중성자별의 표면 중력은 지구 중력의 2×1011배에서 3×1012배에 이른다. 중력을 측정하는 한가지 방법은 탈출 속도를 측정하는 것이다.
탈출 속도란 중력권에 있는 물체를 무한대의 거리로 옮겨가기 위해 필요한 속도를 의미한다. 중성자별에서 탈출 속도는 빛의 속도의 절반 정도인 150,000 km/s나 된다. 반대로, 어떤 물체가 무한대의 거리에서 중성자 별의 표면으로 낙하하게 된다면 그 낙하 속도 역시 150,000 km/s이 될 것이다. 만약 보통의 사람이 이 속도로 중성자별과 충돌하게 된다면, 이는 200 메가톤 정도의 핵폭탄의 위력과 맞먹을 것이고, 이는 인류가 폭발시킨 가장 큰 핵폭탄인 차르 폭탄의 4배에 해당한다.

중성자별의 구조는 수학적인 모델로 설명되어진다. 현재의 모델에 따르면, 중성자별의 표면은 일반적인
원자핵과 전자로 이루어져 있다. 약 1 미터로 이루어진 이른바 "대기"를 지나게 되면 단단한 "껍질"에 이르게 된다.
깊이 들어갈 수록 보다 많은 중성자를 포함하는 원자핵이 존재하게 된다. 그렇게 많은 중성자를 가지는
원자핵은 지구에서라면 금방 붕괴해버릴테지만, 중성자별 내부의 극도로 높은 압력하에서는 안정되어 존재한다.
중성자별 내부로 보다 깊숙히 들어가게되면 이른바 "neutron drip line"을 통과하는 시점이 존재한다.
이 점을 통과하면, 중성자가 원자핵을 빠져나오게 되며, 자유 중성자로 존재하게 된다.



중심부로 갈수록 원자핵은 점점 작아지게 되며, 마침내 언젠가는 소멸하게 되리라고 생각된다. 이러한 중심부의
초고밀도 물질의 정확한 특성에 관해서는 현재 완전히 알려져 있지 않다. 이 이론적인 물질은 과학 소설 등에서
종종 뉴트로늄으로 언급되기도 한다. 하지만 뉴트로늄이라는 용어는 불명확성으로 인해 과학 문헌에서는 그다지
사용되지 않는다. 대신 축퇴물질이라는 용어가 사용되기도 한다. 중성자별의 중심부의 구성에 관해서 많은
이론이 존재한다. 우선, 대부분은 중성자로 구성된, 그러면서도 소수의 양성자와 전자가 존재하는 초유체로
구성되었을 것이라는 이론이 있다. 또는, 중성자 외에 파이온이나 카온 같은 고에너지 입자로 구성되었다고
설명하기도 한다. 위 쿼크나 아래 쿼크보다는 무거운 쿼크로 이루어진 야릇한 물질로 구성되었을 수도 있으며,
강입자에 국한되지 않는 QCD 물질로 이루어졌을 수도 있다. 하지만 현재까지의 관찰로는
이러한 이론을 검증할 수 없는 형편이다.

아인슈타인이 주장했던 워핑 현상 즉 물체의 중력에 의해 시공간이 휘는 현상이 중성자별 주변에서 확인되었다고 미항공우주국과 미시건 대학교의 과학자들이 주장했다.

28일 해외 과학 매체들이 일제히 보도한 바에 따르면, 과학자들은 뱀자리(Serpens) X-1, GX 349+2 그리고 4U 1820-30 주위에서 워핑이 일어났다고 말한다.

중성자별들의 표면 부근에서 광속 40%의 속도로 돌아가는 초고온 금속 원자의 스펙트럼선을 연구한 결과, 정상적인 경우 스펙트럼선이 대칭적인 최고점을 보여야 하지만 관측 결과 최고점이 휘어져 나타났으며 이는 상대적 이론의 효과 때문이라고 설명했다.

막대한 중력에 의한 시공간 휨 현상은 블랙홀 주변에서 지구 주변에서도 확인된 바 있어 이번 발견이 기념비적인 것은 아니지만, 초고밀도 물질의 구성 요소와 가능한 크기를 밝혀내는데 획기적인 성과를 이루었다는 것이 과학 매체들의 평가이다.

중성자별은 우주에서 관측 가능한 물질 중 가장 밀도가 높다. 태양 크기의 물질을 도시 크기로 압축시킨다. 달리 말해 중성자별의 물질을 몇 컵 뜨면 그 무게가 에베레스트 산보다 더 무거운 것이다. 과학자들은 중성자별을 일종의 실험실로 활용한다. 중성자별을 관측함으로써 자연이 만든 극도의 압력이 어느 정도 물질 압축 효과를 낼 수 있는지 연구하는 것이다.

이번에 과학자들은 중성자별이 지름 33km를 넘을 수 없다는 사실이 확인되었다고 보고했다.

사진 : 중성자 별 주변을 돌고 있는 뜨거운 가스 디스크의 모습을 그렸다.
디스크 안쪽의 가스 속도는 광속의 40%에 해당한다.