우주 이야기 1428 - 정확한 질량과 반지름이 측정된 중성자별

 

(Still from the animation of the millisecond pulsar PSR J0437-4715. On the left as seen from Earth. On the right as seen from the star's equatorial plane. The purple-pink color indicates the temperature of the hot spots at the poles. White is relatively cool. Purple is hot. The hot magnetic poles are not exactly opposite each other. Because the star is so dense, the animations also show the effect of light bending caused by extreme gravity. For example, both the rotational poles of the star in right panel are visible simultaneously. Credit: NASA/Sharon Morsink/Devarshi Choudhury et al.)

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과학자들이 가장 가까이 있는 밀리세컨드 펄서의 정확한 반지름과 질량을 측정했습니다. 지구에서 510광년 떨어져 있는 PSR J0437-4715는 초당 174회 자전하면서 강력한 에너지를 방출하고 있습니다. 지구쪽으로 5.75 밀리초 마다 신호를 보내는 이 중성자별은 원자 시계보다 더 정확합니다.

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호주 스윔번 공대의 다니엘 리어던 (Daniel Reardon (Swinburne University of Technology, Australia)과 암스테르담 대학의 데바시 초운허리 (Devarshi Choudhury (University of Amsterdam, the Netherlands) 등 국제 과학자 팀은 국제 유인 우주 정거장 (ISS)에 설치된 NICER X-ray 망원경을 이용해 이 펄서를 매우 자세히 관측했습니다.

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관측 결과 PSR J0437-4715의 반지름은 11.4km였고 질량은 태양의 1.4배였습니다. 그리고 이 중서자별의 자기축은 지구처럼 자전축과 약간 차이가 있는 것으로 나타났습니다. (영상 및 사진 참조)

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(Video animation of the millisecond pulsar PSR J0437-4715. On the left as seen from Earth. On the right as seen from the star's equatorial plane. The purple-pink color indicates the temperature of the hot spots at the poles. White is relatively cool. Purple is hot. The hot magnetic poles are not exactly opposite each other. Because the star is so dense, the animations also show the effect of light bending caused by extreme gravity. For example, both the rotational poles of the star in right panel are visible simultaneously. Credit: NASA/Sharon Morsink/Devarshi Choudhury et al.)

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중성자별에 대한 가장 정확한 질량과 크기를 측정한 이번 관측에서 중요한 부분은 바로 질량입니다. 백색왜성은 태양 질량의 1.4배가 넘으면 전자의 반발력보다 중력의 힘이 더 커지기 때문에 결국 버티지 못하고 양성자, 전자, 중성자가 모두 붙어 하나의 원자핵처럼 뭉치게 됩니다. 이 과정에서 양성자와 전자가 서로의 전하를 상쇄해 거대한 중성자 덩어리가 되는 것입니다.

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하지만 PSR J0437-4715는 찬드라세카 한계로 알려진 태양 질량의 1.4배에 걸려 있어 이론적인 질량 하한선보다 더 작은 질량을 지닌 중성자별이 있는 것이 아닌가 하는 의문을 품게 만듭니다. 왜 그런지 밝히기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

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앞으로 관측을 통해 찬드라세카 한계 이하의 중성자별을 확인할 수 있을지 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2024-07-nearest-millisecond-pulsar-radius-kilometers.html

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Devarshi Choudhury et al, A NICER View of the Nearest and Brightest Millisecond Pulsar: PSR J0437−4715, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.06789

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Tuomo Salmi et al, The Radius of the High Mass Pulsar PSR J0740+6620 With 3.6 Years of NICER Data, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2406.14466

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Nathan Rutherford et al, Constraining the dense matter equation of state with new NICER mass-radius measurements and new chiral effective field theory inputs, arXiv (2024). arxiv.org/abs/2407.06790

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Daniel J. Reardon et al, The neutron star mass, distance, and inclination from precision timing of the brilliant millisecond pulsar J0437-4715, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.07132

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Serena Vinciguerra et al, An Updated Mass–Radius Analysis of the 2017–2018 NICER Data Set of PSR J0030+0451, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/acfb83