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우주 이야기 1156 - 중성자별 충돌이 우주의 황금 광맥?



 (New research suggests binary neutron stars are a likely cosmic source for the gold, platinum, and other heavy metals we see today. Credit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)



 우주에 있는 무거운 원소들은 모두 별 내부에서 생성된 것입니다. 본래 우주 원소의 대부분을 차지했던 수소와 헬륨이 탄소, 산소, 철 같은 더 무거운 원소로 변할 수 있는 장소는 강력한 핵융합 반응이 일어나는 별의 내부 밖에 없습니다. 하지만 철보다 무거운 원소는 더 강한 에너지를 필요로 합니다. 이 에너지는 초신성 폭발 같은 특수한 상황에서만 나올 수 있습니다. 사실 금이나 백금 같은 귀금속은 모두 초신성 폭발에서 나왔다고 할 수 있습니다. 



 그런데 사실 초신성 폭발도 여러 가지 경우가 있을 수 있습니다. MIT와 뉴햄프셔 대학 (University of New Hampshire)의 과학자들은 중성자별 끼리의 충동이 가장 많은 금을 만들어 낼 수 있다는 연구 결과를 발표했습니다. 



 무거운 중성별이나 블랙홀의 충돌은 우주에서 가장 강력한 에너지를 방출합니다. 하지만 상식적으로 생각해보면 블랙홀이 충돌할 때 방출되는 물질은 거의 없을 것입니다. 블랙홀끼리의 충돌은 아예 물질이 방출될 수 없고 블랙홀과 중성자별 충돌도 중성자별이 블랙홀에 흡수하는 방식으로 이뤄지기 때문에 충돌 에너지로 인해 빠져나오는 물질은 많지 않을 것입니다. 반면 중성자별 끼리의 충돌은 상당한 에너지와 물질을 방출할 수 있습니다. 



 연구팀은 2017년 LIGO가 포착한 중성자별 충돌에서 매우 무거운 원소가 대량으로 생산된 증거를 찾았습니다. 연구팀의 추산에 따르면 지구에서 1억 3000만 광년 떨어진 중성자별 충돌로 생성된 금의 양은 지구 질량의 몇 배에 달할 정도로 많습니다. 



 연구팀은 여러 가지 시뮬레이션을 통해 이런 중성자별 끼리의 충돌이 중성자별 - 블랙홀 충돌의 경우보다 100배 많은 무거운 원소를 생성한다는 증거를 발견했습니다. 사실 지난 25억년 동안 생성된 철보다 무거운 원소는 대부분 중성자별 충돌로 만들어졌을 가능성이 있습니다. 



 여기에는 귀금속이나 희토류 생성보다 더 중요한 의미가 담겨 있습니다. 방사성 붕괴를 일으키는 무거운 원소가 없다면 지구의 지각 운동이나 화산 활동은 불가능하며 지금의 지구 생태계도 불가능했을지 모릅니다. 따라서 중성자별 충돌이 잘 일어나지 않는다면 우리도 존재하지 않았을 수 있습니다. 



 아무튼 중성자별 충돌이 우주의 황금 광맥 역할을 했다는 사실이 재미있습니다. 



 참고 



https://phys.org/news/2021-10-neutron-star-collisions-goldmine-heavy.html


 Hsin-Yu Chen et al, The Relative Contribution to Heavy Metals Production from Binary Neutron Star Mergers and Neutron Star–Black Hole Mergers, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac26c6
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