(An orbiting star begins to eclipse its partner, a rapidly rotating, superdense stellar remnant called a pulsar, in this illustration. The pulsar emits multiwavelength beams of light that rotate in and out of view and produces outflows that heat the star's facing side, blowing away material and eroding its partner. Credit: NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnet)
중성자별은 밀도가 유한한 천체 중에서 가장 밀도가 높은 천체입니다. 별 자체가 거대한 원자핵으로 중성자가 빈틈 없이 채워져 있어 도시 만한 크기라도 질량은 태양보다 무겁습니다. 물론 표면 중력도 어마어마해서 빛이 겨우 빠져나올 정도입니다. 중성자도 붕괴될 정도로 중력이 높으면 그때는 한 점으로 붕괴하면서 밀도가 무한대인 블랙홀로 진화하게 됩니다.
이런 중성자별은 종종 동반성과 함께 공전하고 있습니다. 초신성 폭발에서 살아남은 동반성 가운데 일부는 중성자별에 가까이 다가가서 중성자별에 물질을 공급하기도 합니다. 중성자별은 물질을 흡수하는 과정에서 자전 속도가 더 빠른 밀리세컨드 펄서가 되기도 하고 일부는 너무 커져 블랙홀로 진화할 수도 있습니다. 이렇게 동반성을 잡아먹는 중성자별을 블랙 위도우 (Black Widow) 중성자별이라고 부릅니다.
처음 발견된 블랙 위도우 중성자별은 1988년에 발견된 PSR B1957+20 (짧게 B1957)입니다. 과학자들은 B1957의 질량이 태양 질량의 2.4배로 가장 무거운 중성자별 가운데 하나이고 동반성은 지구에서 봤을 때 65도 정도 각도가 기울어진 상태로 공전한다고 생각했습니다.
하지만 막스 플랑크 중력 물리학 연구소의 콜린 클라크 (Colin Clark, an astrophysicist at the Max Planck Institute for Gravitational Physics)가 이끄는 연구팀은 나사의 페르미 감마선 관측 위성 데이터를 이용해 B1957의 비밀을 밝혀냈습니다.
연구팀은 페르미 데이터에서 감마선 광자 (photon)가 주기적으로 15개씩 사라진다는 사실을 확인하고, B1957이 사실은 감마선 쌍성계라는 사실을 확인했습니다. 감마선 식현상은 매우 드문 현상으로 지금까지 7개 정도만 확인되었는데, 블랙 위도우 중성자별에서는 최초로 확인된 것입니다. 페르미 감마선 관측 위성의 뛰어난 관측 능력 덕분입니다.
연구팀은 이 자료를 토대로 B1957의 실제 질량이 기존 예측치보다 낮은 태양의 1.8배이며 동반성의 기울어짐은 84도로 나타났습니다. 기존 추정치는 블랙홀로 넘어갈 한계 질량에 가깝다고 생각했는데, 이번 연구로 그럴 일은 거의 없는 것으로 밝혀졌습니다.
페르미 감마선 관측 위성은 감마선 천문학의 최전선에서 많은 연구 성과를 거뒀습니다. 페르미 발사 전에는 감마선을 방출하는 펄서는 수십 개 정도만 관측이 가능했으나 페르미 이후에는 300개가 추가로 발견되어 감마선 천문학에 크게 기여했습니다. 초고온 물질에서만 방출되는 감마선은 펄서 같은 극단적 천체를 연구하는 데 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 앞으로도 우주에서 가장 극단적이고 기이한 천체 중 하나인 중성자별에 대한 여러 가지 사실이 밝혀질 것으로 기대합니다.
참고
https://phys.org/news/2023-01-nasa-fermi-gamma-ray-eclipses-spider.html
Colin Clark, Neutron star mass estimates from gamma-ray eclipses in spider millisecond pulsar binaries, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-022-01874-x. www.nature.com/articles/s41550-022-01874-x
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