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우주 이야기 798 - 중성자별의 크기 추정하기



(Range of the size for a typical neutron star compared to the city of Frankfurt. Credit: Lukas Weih, Goethe University, satellite image: GeoBasis-DE/BKG (2009) Google)


 중성자별은 그 자체로 하나의 거대한 원자핵이라고 할 수 있는 천체입니다. 별의 잔해인 백색왜성 역시 밀도가 높지만, 중성자별은 아예 전자와 양성자가 붙어 모두 중성자로 변할 정도로 밀도가 높기 때문에 우주에서 가장 밀도가 높은 천체입니다. 만약 이보다 더 중력이 강해서 중성자까지 붕괴되면 더 이상 수축을 막을 수단이 없어 밀도가 무한대로 올라가는 블랙홀이 됩니다. 


 중성자별이 우주에서 가장 밀도가 높은 천체라는 점은 의문의 여지가 없지만, 구체적인 밀도를 계산하는 일은 매우 어려운 일입니다. 왜냐하면 질량과 달리 이렇게 작은 천체의 지름을 정확히 측정하기 어렵기 때문입니다. 중성자별의 예상 반지름은 8-16km까지 다양한 추정이 이었습니다. 적어도 태양의 1.4배에 달하는 질량을 감안하면 매우 작은 크기지만, 예상 반지름의 상한선과 하한선은 8배의 부피차가 있기 때문에 밀도를 정확히 추정하기 어렵다는 점을 알 수 있습니다. 


 프랑크푸르트 쾨테 대학 (Goethe University Frankfurt and the FIAS)의 연구팀은 중력파가 검출된 중성자별 충돌인 GW170817을 데이터를 이용해 관측 결과를 가장 잘 설명할 수 있는 모델을 찾았습니다. 괴테 대학의 루치아노 레졸라 교수 (Professor Luciano Rezzolla)와 그 동료들은 2017년 말부터 20억개의 모델을 테스트 해 가장 가능성 높은 시나리오를 확인했습니다. 그 결과 중성자별의 반지름은 12-13.5km 사이로 생각되며 이는 프랑크푸르트시와 비슷한 크기입니다. 


 물론 이것만으로 모든 궁금증이 풀렸다고 보기는 어렵습니다. 여전히 중성자별의 정확한 크기는 측정을 통해 밝혀내기 어려우며 이론적인 해석은 이론에 따라 달라질 수 있다는 문제점이 있습니다. 하지만 언젠가 인류가 중성자별을 직접 관측하고 그 크기와 물리적 특징을 정확히 알아내는 날이 올 것이라고 믿습니다. 지금은 어려워도 언젠가 답을 찾아낼 것입니다. 


 참고 


Elias R. Most et al, New Constraints on Radii and Tidal Deformabilities of Neutron Stars from GW170817, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.261103

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