우주 이야기 1227 - 가장 무거운 블랙 위도우 펄서 발견

 (A spinning neutron star periodically swings its radio (green) and gamma-ray (magenta) beams past Earth in this artist’s concept of a black widow pulsar. The neutron star/pulsar heats the facing side of its stellar partner (right) to temperatures twice as hot as the sun’s surface and slowly evaporates it. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)

(Astronomers measured the velocity of a faint star (green circle) that has been stripped of nearly its entire mass by an invisible companion, a neutron star and millisecond pulsar that they determined to be the most massive yet found and perhaps the upper limit for neutron stars. Credit: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko)

 펄서는 매우 빠르게 회전하는 중성자별로 강력한 에너지를 방출합니다. 사실 펄서는 우주에서 가장 빨게 자전하는 천체로 본래 별이 가지고 있던 각운동량이 보존된 상태에서 압축되기 때문에 손을 모으고 회전하는 피겨 선수처럼 속도가 점점 빨라져 매우 빠르게 자전하는 특징이 있습니다. 찬드라세카 한계인 태양 질량의 1.4배가 넘는 질량을 지닌 천체는 하나의 큰 원자핵과 같은 상태로 압축되어 중성자별이 되는데, 이런 고밀도 상태에서는 매우 빠른 자전속도에도 파괴되지 않을 수 있습니다. 

 과학자들은 이 가운데서도 특히 빠른 펄서를 밀리세컨드 펄사라고 분류합니다. 1초에 1회 자전하는 것도 모자라 1초에 수백에서 천 번 이상 자전하는 것입니다. 이렇게 빠른 자전 주기는 각운동량 보존 법칙으로만 설명할 수 없습니다. 밀리세컨드 펄서의 생성 기전 중 하나는 동반성에서 흡수한 물질이 팽이를 감은 줄처럼 각운동량을 더하면서 속도를 더 빨리 하는 데 있다고 보고 있습니다. 

 과학자들은 실제로 그런 증거들을 찾아냈습니다. 수컷을 잡아먹는 블랙 위도우 거미의 이름 딴 블랙 위도우 펄서 (black widow pulsar)는 동반성에서 질량을 흡수해 점점 커집니다. 반면 물질 중 상당수를 잃어버린 동반성은 별의 지위에서 내려올 때도 있습니다. 2014년에 발견된 PSR J1311−3430가 그 첫 번째 사례입니다. 

 이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/100170387601

(This 2014 NASA video explains black widow pulsars and how astronomers discovered one called PSR J1311−3430, the first of its kind discovered solely through gamma-ray observations. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)

 스탠포드 대학의 로저 로마니 교수 (Roger W. Romani, professor of astrophysics at Stanford University)와 동료 과학자들은 하와이에 있는 10m 구경 켁 망원경을 이용해 지구에서 3000광년 떨어진 블랙 위도우 펄서인 PSR J0952-0607를 4년 간 관측해 여러 가지 사실을 알아냈습니다. 

 이 블랙 위도우 펄서는 초당 707회 회전하고 있는데, 6.4시간 주기로 가까운 거리에서 공전하는 동반성을 거느리고 있습니다. 동반성의 질량은 목성의 20배 수준에 불과한데, 펄서에서 가깝기 때문에 표면 온도는 태양과 비슷한 6200K에 달합니다. 그리고 중성자별 자체 질량은 이제까지 발견된 것 가운데 가장 무거운 태양 질량의 2.35배에 달합니다. 

 이런 특징들을 종합하면 이 블랙 위도우 펄서는 동반성의 질량을 대부분 흡수해 커지면서 자전 속도가 빨라진 것으로 이해할 수 있습니다. 물론 강력한 에너지를 내뿜는 펄서가 바로 옆에 있기 때문에 별의 물질이 모두 흡수된 건 아니고 아마도 상당수는 외부로 날려간 것으로 생각됩니다. 그리고 현재도 그런 일이 일어나면서 동반성은 계속 크기가 줄어들고 있는 것으로 보입니다. 

 

 연구팀은 이렇게 동반성의 크기가 현저히 감소해 태양 질량의 1/10 수준으로 줄어든 경우 레드백 (redback)이나 펄서의 1% 이하인 경우 티다렌스 (tidarrens)라는 별칭을 붙였습니다. 수컷이 암컷에 비해 매우 작은 거미들이기 때문입니다. 마지막 단계에서는 진짜 블랙 위도우 거미처럼 동반성을 완전히 잡아 먹어 동반성이 없는 밀리세컨드 펄서로 관측될 것으로 예상됩니다. 

 이번 연구에서 중요한 부분은 중성자별의 질량이 어디까지 커질 수 있냐는 것입니다. PSR J0952-0607는 태양 질량의 2.35배라는 기록을 세웠습니다. 자전 속도가 매우 빠른 경우 원심력에 의해 중력 붕괴를 막을 수 있어 질량이 더 커질 수도 있으나 현재까지는 이 정도가 한계로 보입니다. 이론적 한계는 태양 질량의 3배인데, 실제로는 어디까지 커질 수 있는지도 과학자들의 주된 관심사입니다. 

 아무튼 블랙 위도우라는 명칭에 완전히 부합되는 천체가 아닐까 생각합니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2022-07-heaviest-neutron-star-date-black.html

PSR J0952-0607: The Fastest and Heaviest Known Galactic Neutron Star, To Appear in ApJ Letters, arXiv:2207.05124 [astro-ph.HE] arxiv.org/abs/2207.05124