(This illustration depicts a binary star system consisting of a dense neutron star and a normal sun-like star (upper left). Using data from the European Space Agency's Gaia mission, astronomers found several systems like this one, in which the two bodies are widely separated. Because the bodies in these systems are far apart, with separations on average 300 times the size of a sun-like star, the neutron star is dormant—it is not actively stealing mass from its companion and is thus very faint. To find these hidden neutron stars, the scientists used Gaia observations to look for a wobble in the sun-like stars caused by a tugging action of the orbiting neutron stars. These are the first neutron stars discovered purely due to their gravitational effects. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC))
중성자별은 블랙홀 직전 단계의 천체로 거대한 원자핵이 중력에 의한 붕괴를 막는 역할을 하는 천체입니다. 따라서 밀도가 매우 높아 지름이 도시 정도 되는 천체가 태양보다 1.4배 이상 무거운 질량을 지니고 있습니다. 강한 중력 덕분에 1초에 수백번 자전해도 부서지지 않으며 자기축으로 강력한 자기장을 내뿜어 지구에서 관측이 가능한 펄서가 되는 등 다른 천체에서는 보기 힘든 독특한 현상을 많이 일으키는 천체이기도 합니다.
하지만 혼자 있는 조용한 중성자별의 경우 포착하기가 어렵습니다. 펄서처럼 에너지를 주기적으로 내뿜지도 않고 동반성에서 물질을 흡수하지도 않는 중성자별은 혼자 있는 고독한 블랙홀처럼 거의 포착되지 않습니다. 그리고 사실 동반성과 함께 있는 경우라도 충분히 멀리 떨어져 있어 물질을 흡수하지 않는 경우 거의 포착하기 어렵습니다.
칼텍의 카렘 엘-바드리 (Kareem El-Badry)가 이끄는 천문학자팀은 유럽 우주국의 가이아 데이터와 켁 망원경을 포함한 지상 망원경 추가 관측을 통해 태양과 비슷한 별 주변을 공전하고 있는 숨은 중성자별 21개를 찾아냈습니다. 중성자별 자체는 직접 관측하지 못하지만, 태양 같은 별이 보이지 않는 별 주변을 공전하는 것을 확인해 숨은 동반성의 질량을 측정하고 중성자별에 해당한다는 사실을 밝혀낸 것입니다. 이 중성자별들은 대부분 지구에서 3000광년 떨어져 있습니다.
(This animation depicts a binary star system in which a massive compact neutron star is orbiting a larger sun-like star. The intense gravity of this high-density neutron star produces significant warping effects that distort the view of the sky around it, not unlike what occurs around more compact black holes. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC))
이와 같은 쌍성계가 살아남을 수 있다는 것은 미스터리한 일입니다. 왜냐하면 중성자별은 태양보다 적어도 8배 이상 무거운 별이 초신성 폭발을 통해 남은 잔해에서 생기기 때문입니다. 따라서 동반성 역시 거성이 아닌 경우 폭발에서 살아남기가 쉽지 않으며, 운 좋게 살아남은 경우라도 작은 질량 때문에 멀리 튕겨져 나갈 가능성이 높습니다. 따라서 사실은 발견되지 않은 중성자별이 아직 더 많을 것으로 추정할 수 있습니다.
중성자별의 질량이 블랙홀보다 작은 만큼 사실 우리 은하에는 블랙홀보다 훨씬 많은 중성자별이 숨어 있을 것입니다. 지금까지 포착한 많은 중성자별은 사실 빙산에 일각에 불과할 가능성이 큽니다. 이렇게 많은 중성자별이 생기기 위해서는 그만큼 많은 초신성 폭발이 있어야 하며 이 과정에서 무거운 원소들이 대량 생산되었을 것입니다.
언뜻 보기에 우리와 관련이 없어 보이지만, 사실 중성자별을 만든 초신성 폭발 없이는 지구도 우리 인간도 있을 수 없습니다. 따라서 과학자들은 중성자별에 대한 연구를 계속해 나가고 있습니다.
참고
https://phys.org/news/2024-07-astronomers-neutron-stars-orbiting-sun.html
Kareem El-Badry et al, A population of neutron star candidates in wide orbits from Gaia astrometry, The Open Journal of Astrophysics (2024). DOI: 10.33232/001c.121261
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