앞서 포스팅에서 초신성 및 백색 왜성에 대해 설명했으니 이제는 중성자 별을 설명할 순서가 된 듯 하다. 설명의 순서는 중성자 별 -> 블랙홀 -> 퀘이사의 순서가 될 것으로 생각한다.
이전 백색 왜성 이야기 : http://blog.naver.com/jjy0501/100129205482
1. 중성자 별 발견의 역사
20세기 들어와 핵물리학이 발전하면서 어니스트 러더퍼드 (Ernest Rutherford) 가 1920년에 중성자의 존재를 예언했고, 제임스 체드윅 (James Chadwick)이 1932년 중성자를 발견하는데 성공했다. 이후 이 중성자의 존재로부터 1934년 발터 바데 (Walter Baade) 와 프리츠 즈위키 (Fritz Zwicky) 는 중성자별의 존재를 예언했다.
이들은 초신성의 남은 잔해에서 생기는 중력의 힘이 중성자 별을 생기게 하는데 충분할 것으로 예상했다. 즉 별의 잔해에서 남은 물질의 중력이 전자의 축퇴압을 넘어설 정도로 강력해서 중성자, 양성자, 전자가 모두 뭉치게 되면서 결국은 중성자만 남는 중성자 별이 생길 것을 예언한 것이다. 사실 이 시기에 이와 같은 이론이 가능했다는 것은 놀라운 일이지만 불행히 당시 관측 기술로는 도저히 중성자 별의 존재를 증명할 수는 없었다. 따라서 그들의 이론은 그냥 이론으로 남아있게 되었다.
중성자별의 관측적 증거는 1960년대에 처음으로 밝혀지게 된다. 당시엔 전파 천문학이 크게 발달하고 있었는데 천문학자들은 1054년 폭발한 초신성의 잔해인 게성운 (Crab Nebula) 을 비롯한 여러 천체에서 펄스와 같은 전파신호를 관측하게 된다.
이 신호와 관련해서 전파 천문학에서 재미있는 에피소드가 있다. 1967년 최초로 확인된 전파 펄서인 LGM - 1 은 Little Green Man 이란 단어의 약자였다. 이를 발견한 여류 천문학자 조슬린 벨은 이 규칙적인 신호가 외계인의 신호라고 생각하여 이런 명칭을 붙였던 것이다. 만약 외계인의 신호였다면 세기의 발견이 되었겠지만 결국은 펄서로 밝혀졌다. 이 발견은 비록 외계인은 아니지만 학문적으로는 중대한 발견으로 역사에 남을 것이다. 그래서인지 LGM - 1 이란 명칭은 아직도 그대로 사용되고 있다.
(게성운. 1054년에 폭발한 초신성의 잔해로 중성자 별이 있는 곳이다. This file is in the public domain because it was created by NASA and ESA. )
게성운의 경우 신호는 33 milisecond, 혹은 1초에 약 30 회 정도 규칙직인 펄스 신호로 관측되었다. 동시에 천문학자들은 1960년대 말 광학적으로도 게성운의 중심에서 이 천체의 펄스 신호를 관측해 아주 짧지만 강력한 펄스를 방출하는 천체가 있다는 사실을 밝혀냈다. 이 천체가 이렇게 빨리 회전하면서도 분해되지 않는다는 것은 강력한 중력으로 묶여 있다는 의미였다.
이와 같은 천체들은 펄서라고 부른다. 60년대 이후 과학자들은 여러개의 펄서들을 관측했고 결국 그 정체가 빠르게 회전하면서 강력한 자기장을 띤 작은 천체임을 알게 되었다. 그리고 이것이 가능한 천체는 이론적으로 중성자 별 밖에 없었다. 엄청난 질량을 지닌 물체가 1초에 수십번 회전 하면서도 분해되지 않는다면 중성자별 같이 아주 강력한 인력으로 서로 묶여 있을 수 밖에 없기 때문이다.
2. 중성자별의 형성과 밀도
일단 중성자 별은 앞서 백색왜성에서 설명한 전자의 축퇴압이 견딜 수 있는 한계. 즉 찬드라세카 한계 이상의 질량을 가졌을 때 별의 잔해가 더 수축되어 생긴다. 이 단계에서 중성자, 양성자, 전자는 모두 너무 가까운 거리에 압축되며 전자와 양성자의 전하가 상쇄되며 결국 모두 중성자로 이루어진 거대한 원자핵 자체가 하나의 별이 된다.
중성자 별은 대개 Type II 초신성에서 형성된다고 생각된다. 이에 대해서는 앞서 포스팅에서 이미 설명했기 때문에 자세한 설명은 생략한다. (Type II 초신성에 대해서는 이전 포스팅 참조 http://blog.naver.com/jjy0501/100129900902 )
중고등학교에서 배운 물리/화학 지식만 있더라도 원자의 대부분은 빈 공간이며 가운데 중성자와 양성자로 된 핵이 있고 그 주변을 전자가 돌고 있다는 것을 알고 있을 것이다. 사실 비유를 들면 원자는 공갈빵 같은 구조로 마치 축구장 한가운데 축구공이 있고 축구장 가장자리를 개미들이 돌고 있는 상황에 비유해도 될 정도로 대부분이 빈 공간이다. (물론 여기서 축구공은 원자핵이고 개미는 전자이다)
이것이 찬드라세카 한계를 넘을 정도로 (태양 질량의 1.44 배) 강한 중력에 의해 압축되면 빈공간이 모두 사라지는 셈이니 그 밀도는 상상을 초월할 정도다. 우주에서 가장 밀도가 높은 천체라고 해도 과언이 아닌 정도다.
(참고로 그럼 태양질량의 1.44 배가 넘는 별은 왜 중성자 별로 바로 수축하지 않을까 ? 이 별들이 불타는 동안에는 중심부에서 나오는 열에너지로 인한 팽창력이 중력과 대항하기 때문이다. 이미 타고 남은 별의 잔해는 그럴 수가 없으므로 결국 중력으로 인해 수축하게 된다)
구체적으로 그 밀도는 어느 정도일까 ? 중성자별의 밀도와 크기 같은 특징을 알기 위해 과학자들은 APR EOS (Akmal-Pandharipande-Ravenhall Equation of State ) 라는 공식을 비롯한 공식들을 사용할 수 있다. 여기에 따르면 전형적인 중성자 별은 대략 태양질량의 1.4 배에서 2배 사이에 질량을 지니고 있으며 그 반지름은 약 8 - 12 km 정도이다. 여기서 나오는 밀도는 3.7×1017 에서 5.9×1017 kg/m3 정도로 사실상 원자핵의 밀도인 3×1017 kg/m3 와 비슷한 수준이다. 즉 별 전체가 하나의 원자핵 같은 밀도인 셈이다.(다만 EOS 의 종류에 따라 다소간의 차이가 존재한다)
만약 중성자별의 각설탕 만한 물체가 있다면 그 질량은 전세계 인류의 질량을 모두 합친 것 만큼이나 나갈 것이다. 물의 밀도와 비교했을 때 10의 14승배 이상의 엄청난 밀도를 지니고 있으므로 태양보다 많은 질량을 지닌 물체가 그토록 작아질 수 있는 것이다.
당연히 중성자 별은 이미 엄청난 중력으로 압축이 된 상태인데 이 상태에서 더 압축되면 결국 블랙홀로 가는 길을 피할 수 없을 것이다. 중성자별이 블랙홀로 가는 것을 방지하는 장치는 강력 (strong force) 에 의한 중성자 끼리의 반발력과 양자 축퇴압이다. 만약 이 힘을 넘게 되면 중성자 별은 더 이상 유지될 수 없다.
이 한계값은 대략 태양 질량의 2-3배 정도이며 이 한계는 Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit (TOV limit) 라고 부른다. TOV 한계는 백색왜성의 찬드라세카 한계와 같은 의미로 사용되며 중성자별의 질량의 최대값을 정해준다. 대개 이 이상인 경우 결국 블랙홀로 붕괴되는 것으로 추정되지만 이론적인 계산에 의하면 한 단계를 더 거칠 수도 있다.
그것은 쿼크 별 (quark star) 혹은 strange matter 로 구성된 strange star 로 지금까지 이론적으로만 유도되고 실제로는 관측된 적이 없는 천체이다. 일부 과도한 질량을 지닌 중성자 별 중 일부는 쿼크 별이 아닐지 추정하고 있으나 확실한 증거는 없다. 일부에서는 이 별을 암흑 물질의 후보로 여기기도 한다. 이 쿼크 별은 중성자까지 부서져 쿼크가 뭉쳐진 하나의 거대한 강입자 (Hadron) 로 구성된 별이지만 아직 그 관측상의 증거는 없는 상황이다.
3. 중성자별의 중력
당연한 이야기지만 중성자 별의 표면 중력은 엄청난 수준이다. 평균적인 중성자별의 표면 중력은 지구의 표면 중력의 약 2000 억배 (2×1011)에 달하게 된다. 이 정도 중력에서 탈출속도는 무려 10만 km/s 로 광속의 약 1/3 정도에 달하게 된다. 이로인해 나타나게 되는 재미있는 효과는 바로 중력 렌즈 효과이다.
즉 중성자별의 강력한 인력 때문에 표면에서 나오는 방사선과 빛은 휘어지게 된다. 그러면 정면에서 중성자별을 본다고 가정했을 때 우리는 사실 뒷면에서 나오는 휘어진 빛을 볼 수 있게 된다. 즉 앞면을 보다라도 뒤면의 일부가 보이는 것이다.
(중성자별의 중력 렌즈 효과로 인해 정면에서 보더라도 뒷면이 일부 보이게 된다. Gravitational light deflection at a neutron star. Due to relativistic light deflection more than half of the surface is visible. CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시 저자 Original author: Corvin Zahn, Physics education group Kraus, Theoretische Astrophysik Tübingen, Tempolimit Lichtgeschwindigkeit )
또 중성자별의 강한 중력으로 인해 불과 1미터 높이에서 떨어지는 물체라도 마찰을 감안하지 않는다면 초속 2000 km 의 속력으로 낙하하게 된다. 따라서 중성자별에 떨어지는 물체는 순식간에 지표에 도달하게 될 것이다.
4. 중성자별의 온도
새로 생긴 중성자 별은 초신성의 폭발 당시 에너지를 가지고 있기 때문에 1000억에서 1조 켈빈 (Kelvin) 에 달할 정도로 높은 온도를 가지고 있다. 그러나 수년만에 온도는 100만 K 로 떨어지게 된다. 내부에서 온도가 표면으로 아주 잘 전달되기 때문이다. 이렇게 높은 온도에서 중성자별은 X 선 영역에서 가장 빛나게 된다.
아직 식기 전의 중성자별은 모든 파장 영역대에서 에너지를 방출할 수 있다. 그리고 만약 육안적으로 볼 수 있다면 흰색으로 빛나게 될 것이다. 비록 가시광 영역으로 나오는 빛은 얼마 되지 않지만 중성자별은 백색왜성 처럼 식기전에는 분명 빛나고 있다.
(허블 우주 망원경이 최초로 관측한 중성자별의 가시광 영상 (화살표) The first direct observation of a neutron star in visible light. The neutron star being en:RX J185635-3754.
Credit: Fred Walter (State University of New York at Stony Brook) and NASA. Source: ST Scl. )
( 다음에 계속)
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