아하! 우주

[아하! 우주] 이웃 별을 거의 다 집어삼킨 중성자별 포착

작성 2022.08.04 17:24 ㅣ 수정 2022.08.04 17:24
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▲ 중성자별 PSR J0952-0607과 그 동반성. Credit: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko
우주에는 태양처럼 혼자 있는 별보다 두 개의 별이 서로의 중력에 의해 공전하는 쌍성계가 흔하다.

대부분의 쌍성계는 서로 사이좋게 오랜 시간 함께하지만, 세상에 영원한 것은 없는 법이다. 결국 쌍성계 중 질량이 무거운 쪽이 먼저 최후를 맞이하는데, 이때 먼저 가는 쪽이 어떻게 되느냐에 따라 동반성의 운명이 결정된다.

조용히 물질을 날려 보내고 백색왜성만 남기는 태양 질량 별은 죽은 이후에도 안정적으로 쌍성계를 유지할 수 있다. 하지만 초신성 폭발과 함께 최후를 맞이하는 무거운 별은 동반성을 파괴하거나 잡아먹을 수 있다. 후자의 경우 초신성 폭발 후 남은 중성자별이나 블랙홀이 그 원인이다.

과학자들은 매우 빠르게 회전하는 중성자별인 펄서 가운데 동반성을 잡아먹으면서 커지는 경우가 있다는 사실을 확인했다. 블랙 위도우 펄서 (black widow pulsar)는 대부분 자전 주기가 1초 이하인 밀리세컨드 펄서로 동반성에 매우 가까이 다가가 강한 중력으로 표면 물질을 흡수한다. 이 과정에서 중성자별은 자꾸 커지고 동반성은 점점 작아진다. 

스탠퍼드 대학의 로저 로마니 교수가 이끄는 연구팀은 지구에서 3000광년 떨어진 거리에서 역대 가장 큰 질량을 지닌 중성자별인 PSR J0952-0607를 하와이에 있는 10m 구경 대형 천체 망원경인 켁 망원경으로 4년간 관측했다.

연구팀에 따르면 PSR J0952-0607는 블랙 위도우 펄서로 질량은 태양의 2.35배에 달한다. 1초에 707회로 자전하는데, 이렇게 빠른 속도로 자전해도 강한 중력 덕분에 형태를 유지할 수 있다. 

하지만 더 놀라운 것은 먹히고 있는 동반성이다. 이 동반성은 본래는 태양처럼 정상적인 별이었으나 현재 질량은 태양의 50분의 1 혹은 목성의 20배 수준으로 줄어든 상태다. 너무 많은 물질을 잃어버린 나머지 이제는 별의 지위도 잃어버리고 그보다 작은 갈색왜성급 천체가 된 것이다. 결국 어느 순간에는 행성급으로 작아진 후 완전히 사라질 것으로 예상된다. 

연구팀은 PSR J0952-0607이 결국 동반성을 잃어버리고 혼자서 빠르게 자전하는 밀리세컨드 펄서가 될 것으로 예상했다. 일반적인 밀리세컨드 펄서는 동반성에서 물질을 흡수하면서 자전 속도가 점점 빨라지면서 형성되는 것으로 보고 있다. 하지만 이렇게 물질을 대부분 흡수해 동반성이 사라진 후에는 혼자서 빠르게 회전하는 밀리세컨드 펄서가 되는 것이다. 

이 연구에서 또 다른 중요한 결과는 질량이 태양의 2.35배라는 점이다. 중성자별은 작은 천체에 태양보다 많은 물질이 모여 있다. 따라서 표면 중력이 매우 강해 빛 정도만 가까스로 탈출할 수 있다.

그리고 여기서 조금 더 질량이 커지면 결국 빛조차도 탈출할 수 없는 상태인 블랙홀이 된다. PSR J0952-0607이 태양 질량의 2.35배에도 중성자별 형태를 유지하는 것으로 봐서 블랙홀과 중성자별의 경계는 이보다 더 높다고 판단할 수 있다. 


중성자별은 블랙홀만큼 대중에게 인지도가 높은 천체는 아니지만, 사실 우주에 더 흔하고 흥미로운 이야기를 많이 간직한 천체다. 중성자별은 단순히 블랙홀 전 단계의 천체가 아니라 블랙홀만큼이나 그 자체로 재미있는 이야깃거리를 간직한 존재다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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