별의 잔해-중성자 별의 이야기

출처:사이언스모니터

별의 잔해-중성자 별의 이야기

중성자별은 우주에서 가장 극적이고 연구 가치가 많은 물체 중 하나입니다. 거대한 별의 폭발로 태어난 이 조밀한 물체는 도시보다 크지 않은 구체에 우리 태양보다 더 많은 질량을 채웁니다. 이 글에서는 거대한 중력, 강력한 자기장 및 빠른 회전 속도를 포함한 극한 조건의 중성자별에 대한 이야기를 써 보겠습니다.

중성자별 형성

별의 수명 주기

중성자별의 이야기는 별의 일생과 함께 시작됩니다. 별은 성운으로 알려진 먼지와 가스 구름에서 태어납니다. 중력의 영향으로 이러한 구름은 붕괴되고 핵융합이 시작될 때까지 코어의 압력과 온도가 상승합니다. 그 후 수소 원자가 결합하여 헬륨을 형성하는 이 과정은 에너지를 방출하고 별을 빛나게 합니다. 이 현상으로 수백만 년에서 수십억 년에 걸쳐 별은 핵연료를 소진합니다. 이후에 일어나는 일은 별의 질량에 따라 다릅니다. 태양과 같은 별은 바깥층이 부풀어 오르고 백색 왜성으로 알려진 밀도가 높은 핵을 남깁니다. 

초신성 폭발

거대한 별이 핵연료를 소진하면 중심부의 압력이 더 이상 외부 층의 무게를 지탱할 수 없습니다. 핵은 중력에 의해 붕괴되고 별은 초신성으로 폭발합니다. 이 폭발은 너무 강력해서 잠시 동안 전체 은하계의 에너지를 능가합니다. 그리고 극도의 밀도로 압축된 별의 핵은 중성자별을 형성합니다. 핵의 질량이 태양 질량의 약 1.4배에서 3배 사이이면 압력이 너무 높아서 전자와 양성자가 결합하여 중성자를 형성하므로 "중성자별"이라는 이름이 붙습니다.

중성자별의 특징

크기 및 질량

중성자 별은 작은 크기에도 불구하고 믿을 수 없을 정도로 높은 질량을 가지고 있습니다. 일반적으로 반경은 약 10~15km이며, 질량은 우리 태양 질량의 1.2배에서 2.0배 사이입니다. 중성자별이 우리 태양 전체보다 더 많은 질량을 포함하고 있지만 그 질량은 모두 지름이 약 20~30km인 구형으로 압축되어 있음을 의미합니다. 작은 크기와 큰 질량의 조합은 중성자 별이 엄청나게 밀도가 높다는 것을 의미합니다. 중성자별의 밀도는 약 3.7 ×10^17 ~ 5.9 ×10^17 kg/m^3입니다.

스핀과 자기장

스핀(spin)은 중성자별이 자전하는 속도를 의미합니다. 중성자별은 초신성 폭발로 태어난 별의 각운동량 보존으로 인해, 초당 수백 번 회전할 수 있는데 이것은 각운동량 보존의 결과로 별의 핵이 붕괴함에 따라 회전 속도가 증가합니다. 자기장(magnetic field)은 중성자별 주변에 존재하는 힘의 영역을 의미합니다. 이 자기장은 지구의 자기장보다 백만 배 더 강력합니다. 이러한 강력한 자기장은 중성자별의 가장 강렬한 방사선 빔의 방출 등을 담당합니다.  중성자별은 또한 강력한 자기장을 가지고 있는데, 이는 지구상에서 가장 강력한 자석보다 백만 배 더 강력합니다. 이 자기장은 강렬한 방사선 빔의 방출과 같은 중성자별의 가장 핵심적인 행동을 담당합니다.

온도

중성자별은 초신성 폭발로부터 형성되며 초기 내부 온도는 약 10^11 ~ 10^12 Kelvin로 매우 높습니다. 그러나 중성자별은 완벽한 절연체가 아니며, 중성미자를 방출하여 빠르게 냉각됩니다. 이러한 냉각에도 불구하고 중성자별은 인간의 기준에 따라 매우 뜨겁습니다. 관측 가능한 중성자별의 표면 온도는 일반적으로 약 600,000K입니다. 이는 대부분의 별 표면보다 더 뜨겁습니다.

중성자별의 종류

펄서

펄서는 자극에서 방사선 빔을 방출하는 일종의 중성자 별입니다. 별이 회전할 때 이 빔은 하늘을 가로질러 펄럭이는 효과를 만들어 내는데 이것이  "펄서"라고 불리는 이유입니다 최초의 펄서는 1967년 Jocelyn Bell Burnell과 Antony Hewish에 의해 발견되었으며 그들의 발견은 우주를 연구하는 새로운 방법을 열었습니다.

마그네타

마그네타는 매우 강력한 자기장으로 알려진 또 다른 유형의 중성자 별입니다. 이 필드는 일반 중성자 별보다 최대 천 배 더 강합니다. 마그네타의 자기장은 대상을 구성하는 원자의 전자구름을 왜곡하는 강한 자기장으로 인해 1000km 거리에서도 치명적일 수 있으며 생명의 화학 작용을 불가능하게 만듭니다.

중성자별과 중력파

2017년 과학자들은 두 개의 중성자 별의 충돌로 인한 중력파(시공간 구조의 잔물결)를 감지했습니다.

킬로노바(kilonova)로 알려진 이 사건은 또한 전자기 스펙트럼 전반에 걸쳐 빛의 섬광을 생성하여 중력파와 빛 모두에서 관측된 우주 사건을 처음으로 기록했습니다. 이 발견은 천문학의 새로운 시대를 열었고, 우리가 불가능하다고 생각했던 방식으로 우주를 연구할 수 있게 해 주었습니다.

대중문화 속 중성자별

중성자 별은 SF 작가와 영화 제작자의 상상력을 사로잡았습니다. 그들은 종종 엄청난 에너지의 원천이나 이국적인 외계 문명의 고향으로 묘사됩니다. 예를 들어 Star Trek 우주에서 우주선 Enterprise는 소형 중성자 별을 사용하여 워프 드라이브에 전원을 공급합니다.

중성자별 연구

기술의 발전으로 중성자별에 대한 우리의 이해는 계속해서 커지고 있습니다. Square Kilometer Array와 같은 미래의 망원경을 사용하면 이러한 물체를 전례 없이 자세히 연구할 수 있습니다. 그리고 중성자별 충돌로 인한 중력파를 계속 감지하면서 이러한 사건에서 극한의 물리학에 대해 더 많이 알게 될 것입니다.

유명한 중성자별

천문학자들이 발견한 몇 가지 잘 알려진 중성자별이 있습니다. 다음은 그중 몇 가지입니다.

PSR B1919+21:

이것은 지금까지 발견된 최초의 중성자별로 1967년에 Jocelyn Bell Burnell과 Antony Hewish에 의해 발견되었습니다. PSR B1919+21은 자극에서 방사선 빔을 방출하는 중성자 별의 일종인 펄서입니다. 별이 회전할 때 이 빔은 하늘을 가로질러 펄럭이는 효과를 만들어 냅니다.

PSR B1257+12:

이 펄서는 행성계로 유명합니다. 1992년에 Aleksander Wolszczan이 발견한 이 성운은 행성을 공전하는 것으로 밝혀진 최초의 펄서였습니다. 행성은 펄서를 만든 초신성에서 남은 잔해에서 형성되었다고 믿어집니다.

크랙펄서(PSR B0531+21):

게 성운의 중심에 위치한 이 펄서는 서기 1054년 중국 천문학자들이 관찰한 초신성 폭발로 형성되었습니다. 게 펄사는 알려진 가장 강력한 펄서 중 하나이며 X선 천문학에서 보정 소스로 사용됩니다.

Vela Pulsar(PSR B0833-45):

전자기 스펙트럼의 라디오, X선 및 감마선 영역에서 가장 밝은 펄서 중 하나입니다. Vela (돗자리) 별자리에서 약 1,000 광년 떨어져 있습니다.

PSR J1748-2446ad:

이것은 초당 716회의 속도로 회전하는 알려진 가장 빠른 회전 펄서입니다. 

핵심 정리

•중성자별이란?

중성자별은 초신성 폭발을 겪은 큰 별의 붕괴된 핵입니다. 직경이 약 20km에 불과하지만 질량은 우리 태양보다 큽니다.

•중성자별은 어떻게 형성되나요?

중성자별은 초신성에서 폭발한 후 무거운 별의 잔해에서 형성됩니다. 붕괴하는 별의 핵이 태양 질량의 약 1.4배에서 3배 사이이면 결과 압력은 중성자별을 만들기에 충분합니다.

•펄서와 마그네타란 무엇입니까? 펄서와 마그네타는 중성자별의 일종입니다. 펄서는 자극에서 방사선 빔을 방출하여 펄스 효과를 생성합니다. 반면에 마그네타는 매우 강력한 자기장으로 유명합니다.

•중력파란 무엇이며 중성자별과 어떤 관련이 있습니까?

중력파는 거대한 물체의 가속으로 인해 발생하는 시공간 구조의 잔물결입니다. 두 중성자 별의 충돌은 이러한 파동을 생성할 수 있으며 과학자에게 이러한 천체에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.

•천문 연구에서 중성자별이 중요한 이유는 무엇입니까?

중성자별은 극한 조건에서 별의 수명 주기와 물질의 기본 특성에 대한 깊은 정보를 제공하기 때문에 중요합니다. 이 별의 연구는 또한 중력, 상대성 및 기타 물리학의 핵심 개념에 대한 우리의 이해에 기여합니다.

결론

중성자별은 진정으로 우주에서 가장 매혹적인 현상 중 하나입니다. 별의 폭발에서 형성되는 것부터 놀라운 물리적 특성에 이르기까지 중성자별은 계속해서 인류의 호기심을 자극하고 있습니다. 우리가 우주를 계속 탐험함에 따라 중성자별은 의심할 여지없이 천문학 연구의 중심이 될 것입니다.