최근 새롭게 그 존재가 규명된 펄서 PSR J1311-3430 은 매우 흥미로운 특징 때문에 주목받고 있습니다. 펄서 (pulsar) 란 이전 중성자별에 대한 설명을 할 때 언급했듯이 중성자별 같은 아주 큰 질량이 작은 크기에 모인 천체가 고속으로 자전하면서 주변으로 전자기파를 방출하는 것을 의미합니다. 이 에너지 방출은 우리가 관측할 때는 아주 정확하게 일초에 수회에서 수백번 깜빡이듯이 진행되는데 그 원리는 앞서 설명한 바 있습니다. ( http://blog.naver.com/jjy0501/100132073962 )
대부분의 펄서들은 비교적 지구 대기를 쉽게 뚫고 들어오는 라디오 파 (Radio Wave, 1 mm 에서 100 km 수준의 파장을 지니고 있고 3 KHz 에서 300 GHz 까지의 주파수를 가지고 있는 전자기파) 를 통해 발견되었습니다. 하지만 그렇다고 해서 이 펄서들이 이 파장대의 전자기파만 방출하는 것은 아닙니다. 이들은 가시광은 물론, X 선이나 감마선등을 방출할 수 있습니다.
새롭게 발견된 PSR J1311 - 3430 은 최초로 감마선 영역에서 발견된 펄서입니다. 이 펄서는 본래 나사의 콤프턴 감마선 관측 위성 (Compton Gamma Ray Observatory Satellite) 에 탑재된 Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET) 에 의해 켄타우로스 자리 (Centaurus) 방향의 정체 불명의 감마선 방출원으로 알려졌습니다. 1994 년 최초 관측 이후 보다 강력한 감마선 관측 위성인 나사의 페르미 감마선 우주 망원경 (Fermi Gamma Ray Telescope) 에 의해 좀 더 자세한 관측이 이루어졌지만 이것의 정체가 정확히 펄서인지 규명되는 데는 좀더 시간이 필요했습니다.
독일 하노버의 막스 플랑크 중력 물리학 연구소 (Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) ) 의 과학자들은 막스 플랑크 전파 천문학 연구소 (Max Planck Institute for Radio Astronomy ) 의 과학자들은 협동으로 이 감마선 방출원에 대한 연구를 진행하여 이것이 2.5 ms 의 주기를 가진 밀리세컨드 펄서라는 사실을 밝혀냈습니다. (초당 대략 390 회) 밀리세컨드 감마선 펄서 (Gamma Ray Pulsar) 는 처음 규명되는 것입니다.
강력한 감마선에 노출되면 인간을 비롯한 생명체는 순식간에 사망할 수 밖에 없기 때문에 죽음의 광선을 쏘는 펄서라고 할 수 있겠죠. 하지만 이것 이외에 다른 특징으로 인해 이 펄서는 블랙 위도우 펄서 (Black Widow pulsar, 블랙 위도우는 암컷이 수컷을 잡아먹는 거미의 일종) 라는 명칭이 붙었습니다.
PSR J1311 - 3430 은 단독으로 존재하는 것이 아니라 이보다 질량이 매우 작은 동반성을 거느리고 있는데 동반성까지의 거리는 태양의 반지름 보다 작습니다. 즉 이 펄서와 동반성이 공전 궤도가 태양의 안쪽에 들어갈 수 가 있습니다. 그런데 이 동반성은 그 크기가 매우 작은 반면 펄서는 상대적으로 질량이 매우 큰 것으로 조사되었습니다.
이 동반성은 주로 헬륨으로 구성되어 있는데 대략 질량이 목성의 8 배 정도 인 것 같다고 합니다. 그 이유는 아마도 대부분의 물질을 중성자별인 PSR J1311 - 3430 에 빼앗겼기 때문으로 생각됩니다. 즉 동반성을 먹으면서 커지는 중성자 별이라고 할 수 있죠.
이들은 너무 가까이에서 공전하고 있어 그 거리가 지구 - 달 간 거리의 1.4 배에 불과합니다. 이보다 놀라운 사실은 공전 주기가 93 분 밖에 되지 않는 다는 것이죠. 이것은 쌍성계를 이루는 펄서 가운데서도 가장 짧은 축에 속합니다. 동반성의 공전 속도는 시속 280 만 km 에 이릅니다. 아마 미래에는 동반성이 펄서에 먹혀서 사라지게 될 것으로 보입니다. 그 때까지 동반성은 아주 고속으로 펄서 주변을 공전할 것입니다.
( PSR J1311 - 3430 와 그 작은 동반성. 공전 궤도와 태양과의 크기 비교를 위해 배경의 구체는 태양임.The unusual PSR J1311-3430 pulsar system with the first millisecond pulsar discovered solely by its lighthouse-like gamma-ray emissions (magenta). The record-breaking pulsar system is so compact that it would fit completely inside our Sun. This schematic representation shows the Sun, the companion's orbit, and the companion at its maximum possible size true to scale; the pulsar has been greatly enlarged in contrast. (Credit: SDO/AIA (sun), AEI) )
이것외에 또다른 중요한 특징은 이 중성자별의 질량이 기존의 가장 무거운 중성자별 후보였던 PSR J1614–2230 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100119136240 참조) 보다 더 무거운 태양의 2.15 배 라는 사실입니다. 이 정도 질량 중성자별은 드물다고 할 수 있는데 아마도 태양 질량의 수십배에 달하던 항성이 최후에 이 중성자별을 남겼고 이후 다시 동반성에서 물질을 흡수해 더 커진 것으로 생각됩니다.
이렇게 동반성에서 빠져나온 가스들은 중성자별 주변을 가리게 되며 이것이 이 중성자별이 지구에서 관측했을 때 라디오 파 영역에서 잘 관측되지 않는 이유로 생각됩니다. 즉 라디오파의 상당 부분이 가스로 인해 흡수되었을 가능성이 있다는 것이죠. 다만 향후 추가적인 관측이 더 필요합니다.
지금까지 밝혀진 것 만으로도 이 중성자별은 정말 별난 특징들을 많이 가지고 있습니다. 향후 연구를 통해 보다 구체적인 모습은 물론 다른 감마선 펄서들에 대한 연구도 같이 진행될 것으로 기대합니다. 이 연구 내용은 Science 에 기재되었습니다.
참고
Journal Reference:
H. J. Pletsch et al. Binary Millisecond Pulsar Discovery via Gamma-Ray Pulsations. Science, 2012 DOI:10.1126/science.1229054
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