[아하! 우주] 동반성을 잡아먹는 ‘블랙위도우’ 중성자별 포착

검은 과부거미(black widow spider)는 짝짓기 이후 암컷이 수컷을 잡아먹기 때문에 이같은 명칭이 붙었다. 그런데 천문학자들도 동반성을 흡수하는 중성자별에 같은 이름을 붙였다. 블랙 위도우 펄서(black widow neutron star/pulsar)는 강력한 중력으로 동반성을 흡수해 몸집을 키운다.

중성자별은 초신성 폭발 후에 남은 잔해가 뭉쳐서 형성되는 천체로 전체가 중성자로 구성된 하나의 원자핵이나 마찬가지다. 작은 크기에도 불구하고 질량은 태양보다 커서 그 표면 중력은 빛의 속도로만 겨우 탈출할 수 있는 수준이다. 만약 이보다 더 질량이 커지면 그때는 빛조차도 빠져나오지 못하는 블랙홀이 된다.

보통 중성자별은 초신성 폭발의 결과로 생성된다. 그런데 동반성을 가진 초신성이 초신성 폭발 이후에도 동반성을 계속 거느리고 서로의 주위를 공전하는 경우가 있다. 일반적인 별과 중성자별의 쌍성계는 거리가 먼 경우 안정적으로 유지되지만, 만약 거리가 가까운 편이면 중성자별의 중력이 작용해 동반성이 흡수되는 운명에 처한다. 이는 이론적으로는 쉽게 예측할 수 있으나 중성자별이 대부분 멀리 떨어져 있어 그 구체적인 모습은 알기 어려웠다.

캐나다 토론토 대학의 로버트 마인과 동료 과학자들은 작년에 푸에르토리코에 있는 아레시보 전파 망원경으로 지구에서 6500광년 떨어진 중성자별인 'PSR B1957+20'를 관측했다. 이 중성자별은 초당 600회라는 엄청난 속도로 회전하고 있어 밀리세컨드 펄서로 분류된다.

그런데 이 중성자별에서 매우 가까운 거리에는 태양 지름의 1/3 정도 되는 갈색왜성(brown dwarf)이 존재한다. 갈색왜성은 목성 질량의 13배에서 80배 사이의 천체로 행성과 달리 핵융합 반응을 일으킬 수 있으나 안정적인 핵융합 반응을 유지할 수 없어 흔히 실패한 별로 불린다.

연구팀은 역대 최고 분해능인 20km로 이 쌍성계를 관측하는 데 성공했다. 이는 명왕성에서 지구 표면에 벼룩을 관측한 것과 비교할 수 있는 수준으로 중성자별 관측 사상 가장 정밀한 관측이다. 관측 결과 중성자별과 갈색왜성 간의 거리는 200만km에 불과했다. 이는 지구 달 거리의 5배 정도로 중성자별의 강력한 중력과 방사선을 생각하면 대단히 가까운 것이다.

일반적인 갈색왜성의 온도는 낮지만, 이 갈색왜성은 중성자별에서 나오는 강력한 방사선의 영향으로 표면 온도가 태양과 비슷한 섭씨 6000도에 달한다. 이로 인해 표면 물질이 증발해 마치 혜성의 꼬리 같은 구조물을 만들고 있다. 그리고 이렇게 증발한 물질이 중성자별의 강력한 중력에 의해 흡수되는 것이다. 아마도 이 갈색왜성은 과거에는 지금보다 크기가 더 컸을 것이며 어쩌면 평범한 별이었는데 갈색왜성으로 크기가 감소했을 가능성도 있다. 물론 과거사와 관계없이 이 갈색왜성의 운명은 중성자별로 흡수되는 것이다.

연구팀은 이번 관측을 통해 이론적으로 예측되었던 사실을 다시 확인했을 뿐 아니라 지금까지 정확히 원인을 몰랐던 여러 가지 현상에 대한 단서를 얻었다. 하지만 과학자들은 당연히 여기에서 만족하지 않고 앞으로 더 정밀한 관측을 통해 우주의 비밀을 풀어나갈 것이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com