5. 중성자별의 구조
현재까지 중성자별들 가운데 직접 탐사선을 보내 그 구조를 확인할 수 있는 방법은 없다. 따라서 과학자들은 현재까지 수학적 모델링을 통해 중성자별의 구조를 연구하고 있다. 다만 태양과 다른 항성의 내부 구조를 연구할 때 사용된 진동 (Oscillation) 이 중성자별에서 관측되면 그 구조와 더불어 어떤 EOS (Equation of State) 가 실제 모델과 가장 일치하는 지도 알 수 있을 것이다. 다만 이와 같은 중성자별 진동은 극히 드문 케이스 밖에 관측되지 않아서 불행히 중성자별의 내부 구조에 대해서는 수학적 모델링 및 추정에 의존하고 있다.
현재의 수학적 모델에 의하면 중성자별은 모두 중성자로만 구성되지는 않을 것으로 추정된다. 실제로 지각에 해당하는 최외각층은 통상적인 원자핵들이 전자의 바다에 빠져 있는 것 같은 구조로 이루어져 있다고 생각된다.
이 외각층은 아직 중력과 밀도가 양성자와 전자가 모두 중성자로 변하기엔 다소 낮은 지역이다. 과학자들은 핵자들의 결합력을 생각할 때 이 지표 외각 (outer crust) 의 원자핵은 아마도 철 원자일 것으로 생각하고 있다. 이를 테면 중성자별은 표면은 중성자가 아니라 철 원자가 단단이 결합되어 있는 상태로 일종의 금속 표면을 가지고 있다.
하지만 생긴지 얼마 안되는 중성자 별의 온도는 앞서 이야기 했듯이 100만 켈빈 (K) 이상이기 때문에 이 온도에서 철 원자들은 고체가 아니라 액체 상태로 존재할 수 있다. 그렇다면 생긴지 얼마 안된 중성자 별의 표면은 용광로 같은 상태로 생각된다. 또 일부에서는 철보다 가벼운 원소인 헬륨이나 수소가 철의 지각위에 존재할 수도 있다고 생각하고 있다.
중성자별에도 기체 상태의 대기가 존재할 수 있을 지는 의문시 되지만 만약 존재한다면 강력한 중력장 때문에 그 두께는 1 미터에 불과할 수 있다. 이 기체는 매우 높은 온도에서 아주 높은 밀도로 존재할 것이다. 그리고 그 아래에는 극단적인 중력 때문에 극도로 균일한 높이의 철의 지표가 존재할 것으로 생각된다. 마치 정밀하게 연마된 금속 표면처럼 중성자성 전체에서 지각 높이의 균일함은 5mm 이내의 오차만을 허용할 것으로 예상된다. 따라서 중성자성 표면에는 크레이터나 산, 절벽 같은 지형이 존재하지 않고 거울 같은 매끈한 금속 표면을 유지할 것으로 보인다. 물론 100만 켈빈 이하 온도에서는 극도로 단단하게 압축된 상태이다.
(중성자별의 예상되는 내부 구조 모델 CCL에 따라 복사 허용 저자 표시 저자
이 보다 안쪽의 내부 지각층 (inner crust) 으로 내려가게 되면 지구에서는 볼 수 없는 거대한 중성자들로 구성된 원자핵들이 전자와 공존할 것으로 생각된다. 이런 거대 원자핵은 지구에서는 곧 방사성 붕괴를 통해 보다 작고 안정된 원자핵으로 변하게 되지만 중성자별에서는 거대한 중력으로 인해 비교적 안정되게 유지된다.
더 깊이 들어가게 되면 강력한 중력의 작용으로 원자핵에서 중성자들이 새어 나와 자유 중성자가 되며 어느 정도에서는 사실상 원자핵이 사라지고 중성자의 바다가 존재하게 된다. 이와 같은 외핵 (out core) 의 경계를 neutron drip line 이라고 부른다.
제일 안쪽의 내핵 (inner core) 의 정확한 구조는 현재까지 수수께끼이다. 내핵안에서는 높은 밀도와 압력으로 인해 중성자도 부서질 수 있다고 생각된다. 그래서 그 후보가 되는 물질은 strange matter, 초고압의 쿼크 축퇴물등 여러가지가 있다.
6. 중성자 별의 자전과 자기장, 그리고 펄서
펄서는 강력한 자기장을 띤 빠르게 회전하는 중성자 별이다. 그런데 왜 중성자 별이 아주 빠른 속도로 자전하면서 강한 자기장을 가지게 되었을까 ?
그것은 중성자별이 처음 생길 때 가지고 있던 회전 에너지와 자기장과 관련이 있다. 중성자 별이 되기전 별들은 자전함과 동시에 자체적인 자기장을 가지고 있다. 태양만 하더라도 스스로 자전하며 표면에는 강한 자기장으로 인해 흑점 현상이 발생한다.
그런데 별이 죽고 나서도 이 회전 운동 에너지, 즉 각 운동량은 그대로 보존된다. 그런데 중성자성이 되면서 급격히 밀도가 높아지고 크기가 작아져도 각 운동량이 보존되야 하는데 결과적으로 이로 인해 회전 속도가 아주 빨라진다. 마치 피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 손을 안쪽으로 모음에 따라 회전 속도가 빨라지는 것과 같은 원리다.
본래 거대하던 별이 아주 작아지면서 보존되는 것은 각운동량 만이 아니다. 전하 역시 그대로 보전되는 데다 회전 에너지와 막대한 열에너지로 인한 다이나모 효과 때문에 곧 중성자별이 만들어진 직후에는 강한 자기장을 띤 상태가 된다. 이렇게 고속으로 회전하는 중성자별은 자기 축으로 강력한 방사선을 내뿜게 된다. 그리고 그 중성자별에서 나오는 방사선이 우리를 향할 때 우리는 한번 깜빡이는 것으로 인식하게 된다. 그것이 1초에 수십번씩 나오는 전파와 빛의 정체였다. (아래 개념도 참조)
(펄서의 개념도. 중앙의 중성자 별이 있고, 빠른 속도로 자전하고 있다. (녹색 축을 기준으로 자전) 그리고 이것과 약간 기울어져서 자기력선이 존재하며. 자북극과 자남극으로 강력한 방사선이 방출된다. 이렇게 자기력선과 자전축이 엇갈린 것은 지구에서도 마찬가지이며, 중성자성에서는 회전에 따라 자기장이 주기적으로 이동하게 만드는 원인이 된다. 마침 방출되는 전파의 방향 중에 지구가 포함될 때 지구에서 봤을 때는 깜빡거리는 신호인 펄서로 관측된다. 아래의 동영상에서 이 개념을 확인할 수 있다. Schematic view of a pulsar. The sphere in the middle represents the neutron star, the curves indicate the magnetic field lines and the protruding cones represent the emission zones. )
중성자별은 처음 만들어질 때 극도로 빨리 회전을 한다고 생각된다. 그 회전 속도는 초당 수백회에 이를 수 있다. 따라서 강력한 중력을 지닌 중성자별 조차도 이로 인해 편구면체 (oblate spheroid) 가 된다고 생각된다. 즉 배가 불룩한 찐빵같은 구체가 되는 것이다.
(편구면체 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 This image was made by en:User:AugPi usingMathematica. )
그러나 강력한 자기장을 띤 중성자별도 에너지를 방출하면서 자전하면 결국 그 회전 에너지를 잃게 된다. 결국 오래된 중성자별은 수초에 한번 정도로 회전 속도가 낮아지게 된다. 그러나 태양 보다 더 큰 질량을 가진 물체가 아주 빨리 회전했던 만큰 최초의 에너지가 엄청나기 때문에 그렇게 되는 데는 오랜 시간이 필요하다.
대략 11초 마다 중성자별은 주변으로 에너지를 방출하는 댓가로 10−10 에서 10−21 초 만큼 느려진다. 이는 평균적으로 1세기를 기준으로 1초에 한번 자전하는 중성자별이 1.000003 초 로 느려지는 것이며 100만년을 기준으로 삼으면 1.03 초가 되는 셈이다.
한가지 재미있는 것은 이 강력한 자전 속도로 인해서 일종의 지진이 발생할 수 있다는 것이다. Starquake 라고 부르는 이 현상은 강력한 자전 속도가 점차 느려짐에 따라 발생한다. 자전 속도가 조금 느려지면 그로 인해 중성자별은 다소 타원형에서 구형으로 변하려고 한다. 그런데 딱딱한 지각 표면은 이와 같은 변화에 견디지 못하고 부서지게 된다.
그러면 중성자별 표면에서는 지구의 지각판이 충돌하는 것 보다 더 격렬한 현상이 일어날 것으로 생각된다. 즉 딱딱한 외피가 부서지면서 일부는 중성자별 밖으로 분출되고 이후 중성자별은 조금 작아지면서 각운동량이 보존되기 때문에 조금 더 빨리 자전하게 된다. (다만 이 에너지가 충분치 않다는 설도 있다) 하지만 역시 시간이 지나면서 점차 에너지를 방출하면서 다시 자전 속도는 조금씩 느려지는 것으로 생각된다.
(Starquake 의 상상도 An artists's concept of the 2004 occurence in which a neutron star underwent a "star quake", causing it to flare brightly, temporarily blinding all x-ray satellites in orbit. This file is in the public domain because it was created by NASA )
펄서들의 공전 주기는 1.4 밀리세컨드에서 8.5 초 정도이다. 이 공전 주기는 매우 정밀해서 거의 원자 시계와 비슷한 정도이다. 다만 앞서 이야기 했듯이 주변으로 에너지를 내놓으면서 서서히 느려지게 된다.
( 게성운 펄서의 합성 이미지. 푸른색은 X ray 이미지이고 광학 이미지는 붉은 색이다. 펄서들은 X ray 영역으로도 강력한 에너지를 방출한다.
A composite image of the Crab Nebula showing the X-ray (blue), and optical (red) images superimposed. The size of the X-ray image is smaller because the higher energy X-ray emitting electrons radiate away their energy more quickly than the lower energy optically emitting electrons as they move.
또 펄서들에는 특히 더 강력한 자기장을 띤 magnetar 나 기타 특이한 성질을 가진 것도 있는데 나중에 기회가 되면 소개하겠다.
(중성자 별과 펄서에 대한 설명 동영상 / 1분 30 초 이후를 보셔도 됨)
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