(Flux–temperature diagram from time-resolved spectroscopy of all 15 X-ray bursts of 4U 1820–30. Credit: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad794e)
덴마크 공대 (Technical University of Denmark)의 과학자들이 자전 주기가 가장 짦은 밀리세컨드 펄서 장 하나를 발견했습니다. 펄서는 빠르게 자전하는 중성자별로 블랙홀처럼 하나의 점으로 붕괴한 천체를 제외하면 우주에서 가장 밀도가 높고 표면 중력도 높습니다.
중성자별의 또 다른 특징은 자전 속도가 매우 빠르다는 것입니다. 각 운동량 보존의 법칙에 따라 크기가 줄어들어도 별의 회전 에너지가 그대로 남기 때문에 피겨 선수가 양팔을 모으면서 속도를 빨리 하는 것처럼 중성자별도 본래 태양보다 큰 천체가 도시 크기로 줄어들면서 속도가 매우 빨라집니다. 일부는 주변에서 물질을 흡수하면서 더 빨라져 자전 주기가 1초 이하로 줄어드는 데, 이를 밀리세컨드 펄서라고 합니다.
연구팀은 은하 중심 블랙홀이 있는 궁수자리 방면으로 2만 6천 광년 떨어진 지점에서 강력한 X선 쌍성계인 4U 1820-30를 포착했습니다. 연구팀은 여기서 강력한 열핵반응과 더불어 초당 716회의 빠른 변동을 발견했는데, 이는 4U 1820-30이 밀리세컨드 펄서라는 것을 의미합니다. 거의 1밀리세컨드의 벽에 가까이 다가선 밀리세컨드 펄서로 기존에 가장 짧은 밀리세컨드 펄서인 PSR J1748–2446와 거의 비슷한 수준의 기록입니다.
하지만 더 놀라운 사실은 동반성에 있습니다. 4U 1820-30의 동반성은 백색왜성인데, 두 개의 별 가운데 질량이 큰 쪽이 먼저 초신성 폭발과 함께 최후를 맞이해 중성자별은 남긴 후 살아남은 동반성에서 물질을 빨아들이면서 자전 속도가 더 빨라진 것으로 이해할 수 있습니다. 결국 동반성 역시 백색왜성으로 최후를 맞이했는데, 이 백색왜성은 죽은 별의 잔해임에도 불구하고 너무 가까이 다가간 탓에 계속 물질을 빼앗기고 있습니다.
연구팀에 따르면 4U 1820-30의 동반 백색왜성은 11분 주기로 펄서 주변을 공전하고 있는데, 이는 역대 가장 짧은 공전 주기 중 하나입니다. 이렇게 빠른 속도로 공전과 자전을 해도 각각 엄청난 중력을 지닌 백색왜성과 중성자별이기 때문에 분해되지 않고 유지될 수 있습니다. 다만 물질을 계속 빼앗기는 백색왜서은 결국 파괴되어 흡수되는 최후가 예상됩니다.
그런데 그 전에 백색왜성에서 물질을 흡수한 중성자별은 강한 중력으로 표면 물질을 압축해 열핵반응을 일으킵니다. 이때 4U 1820-30의 밝기는 태양의 10만배에 달합니다. 국제 유인 우주 정거장 (ISS)에 설치된 NICER X선 망원경은 2017년에서 2021년 사이 이렇게 갑작스러운 밝기 변화를 15회나 관측했습니다.
4U 1820-30는 여러모로 극단적 천체라고 할 수 있는데, 이보다 더 극단적이고 자전주기가 짧은 1밀리세컨드 이하의 중성자별이 나올 수도 있을 것으로 생각합니다.
참고
https://phys.org/news/2024-10-astronomers-fastest-stars-universe.html
Gaurava K. Jaisawal et al, A Comprehensive Study of Thermonuclear X-Ray Bursts from 4U 1820–30 with NICER: Accretion Disk Interactions and a Candidate Burst Oscillation, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad794e
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