우주 이야기 1135 - 가장 작고 무거운 백색왜성 발견

 (Astronomers have discovered a stellar corpse known as a white dwarf that is roughly the size of Earth's moon. The white dwarf is about 4,300 kilometers across, while the moon is 3,500 kilometers across. The white dwarf is depicted above the moon in this artistic representation; in reality, the white dwarf lies 130 light-years away in the constellation of Aquila. Credit: Giuseppe Parisi)

 과학자들이 역대 가장 무겁고 작은 백색왜성을 발견했습니다. 작고 무겁다는 이야기가 서로 모순된 것처럼 보이지만, 사실 별이 마지막에 남기는 잔해는 무거울수록 크기가 작아집니다. 별이 살아 있을 때는 중심부 핵융합 반응으로 중력 붕괴를 막지만, 핵융합 반응이 끝난 잔해는 중력에 의한 수축을 막을 에너지가 없기 때문에 작고 단단하게 압축되기 때문입니다. 중력이 클수록 더 고밀도로 압축되기 때문에 같은 백색왜성이라도 질량이 클수록 크기가 작아집니다. 

 칼텍의 일라리아 카이아조 (Ilaria Caiazzo, the Sherman Fairchild Postdoctoral Scholar Research Associate in Theoretical Astrophysics at Caltech)가 이끄는 연구팀은 백색왜성과 중성자별의 경계인 찬드라세카 한계 (태양 질량의 1.4배)에 아슬아슬하게 걸친 백색왜성 ZTF J1901+1458을 발견했습니다. 

 이 백색왜성의 질량은 태양의 1.35배이지만, 지름은 달보다 약간 큰 4300km에 불과합니다. 대부분의 백색왜성이 지구보다 큰 점을 감안하면 상당히 작은 편입니다. 칼텍의 ZTF(Zwicky Transient Facility)와 하와이의 켁 망원경, Pan-STARRS 망원경을 통해 이를 관측한 연구팀은 이 백색왜성의 자전 주기가 7분에 불과하다는 사실을 확인하고 이 독특한 백색왜성의 생성 과정을 알아냈습니다. 

 이렇게 빠르게 자전하는 백색왜성은 중성자별과 마찬가지로 다른 동반성에 의해 생성됩니다. 그런데 이 백색왜성은 동반성 없이 혼자 있었습니다. 따라서 가장 가능성 높은 시나리오는 별이 죽고 남은 두 개의 백색왜성이 서로 주변을 공전하면서 접근하다가 하나로 합쳐졌다는 것입니다. 두 백색왜성이 가까운 거리에서 서로 공전하면 결국 중력파의 형태로 에너지를 잃으면서 서로 접근해 충돌하게 됩니다. 두 백색왜성의 질량 합계가 아슬아슬하게 찬드라세카 한계에 걸려 초신성 폭발을 피한 셈입니다.

 참고로 ZTF J1901+1458는 역대 관측된 백색왜성 가운데 가장 무겁지만, 가장 자전 속도가 빠른 백색왜성은 아닙니다. 가장 자전 속도가 빠른 백색왜성은 EPIC 228939929로 5.3분에 불과합니다. 아무튼 밀리세컨드 펄서처럼 자전 속도가 극도로 빠른 백색왜성은 없다는 점을 알 수 있는데, 너무 빠른 자전속도로 인해 파괴되지 않기 위해서는 중성자별처럼 강한 중력이 필요하기 때문입니다. 

 이 백색왜성의 또 다른 특징은 매우 강력한 자기장으로 태양의 10억배에 달하는 자기장을 지니고 있습니다. 빠른 자전속도와 강력한 자기장은 펄서 형태에 가장 가까운 백색왜성이라는 점을 시사합니다. 우주에는 이런 독특한 백색왜성도 있는 셈입니다. 

 ZTF J1901+1458는 지구에서 130광년 떨어진 위치에 있으며 나이는 1억 년 정도입니다. 어쩌면 이런 백색왜성이 드물지 않게 있는데, 너무 작은 크기라 잘 발견되지 않는 것일수도 있습니다. 앞으로 더 많은 관측을 통해 정말 독특하고 극단적인 형태의 백색왜성들이 발견되지 않을까 생각해봅니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2021-06-white-dwarf-edge.html

Caiazzo, I. et al, A highly magnetized and rapidly rotating white dwarf as small as the Moon, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03615-y