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- 중성자별, 지름이 몇 킬로미터에 불과, 일반적으로 무게는 태양보다 더 크다.
- 중성자별과 파트너로 구성된 이 이중성을 X선 쌍성별이라고 부르기도 해
- 중성자별 표면의 한 지점이 폭발할 때 X선 강도의 이러한 약간의 급격한 변동 발생
- 진동은 이 중성자별이 초당 716번이라는 놀라운 속도로 회전

중성자별의 회전 기록
X선 쌍성의 별 잔해는 분당 4만2960번 회전한다.

천문학자들이 기록적으로 빠른 회전을 보이는 중성자별을 발견했다. 별 잔해는 자체 축을 중심으로 분당 42,960회 회전한다. 이로 인해 약 2만6000광년 떨어진 곳에 위치한 이 중성자별은 X선 쌍성에서 가장 빠르게 회전하는 물체가 되었으며, 아마도 가장 빠른 물체일 수도 있다. 백색 왜성인 파트너 별의 가까운 궤도도 기록을 깨고 있다. 중성자별 궤도를 도는 데 11분 밖에 걸리지 않는다. 

▲ 중성자별(왼쪽)은 가까이 공전하는 백색 왜성으로부터 물질을 빨아들다. 그러한 시스템에서 천문학자들은 알려진 우주에서 가장 빠르게 회전하는 물체 중 하나를 발견했다. © Pitris/iStock; NASA

중성자별은 초신성 이후 거대한 별의 밀도가 매우 높은 잔재다. 지름이 몇 킬로미터에 불과한 경우가 많지만 일반적으로 무게는 태양보다 더 크다. 그에 따라 중력도 크다. 중성자별이 쌍성계의 일부인 경우 파트너 별에서 많은 양의 물질을 빨아들이는 경우가 많다. 이로 인해 주기적으로 고에너지 X선이 방출되는 경우가 많다. 따라서 천문학자들은 중성자별과 파트너로 구성된 이 이중성을 X선 쌍성별이라고 부르기도 한다.

컴팩트 듀오가 눈에 띈다

이 X선 쌍성 중 하나는 이제 기록적인 두 배의 별이라는 것이 입증됐다. 4U 1820-30 시스템은 궁수자리 방향으로 우리로부터 약 2만6000광년 떨어져 있으며 주기적인 X선 폭발로 오랫동안 알려져 왔다. 그들의 시기는 이 듀오가 매우 작으며 두 개의 특히 작은 파트너를 포함하고 있음을 시사한다. 지름이 12~16km에 불과하지만 무게는 태양질량의 1.4배에 달하는 중성자별과 훨씬 가벼운 지구 크기의 백색왜성이다.

이 듀오에 대해 자세히 알아보기 위해 덴마크 기술 대학의 Gaurava Jaisawal과 그의 동료들은 국제 우주 정거장에 있는 NICER X선 망원경을 사용해 5년 동안 반복적으로 4U 1820-30을 목표로 삼았다. 목표는 두 개의 별 잔해의 상호 작용과 중성자별의 X선 폭발 뒤에 숨은 메커니즘에 대해 더 자세히 알아보는 것이었다.

▲ NICER X선 망원경은 ISS 외부에 장착돼 있다. 56개의 개별 X선 렌즈가 포함돼 있다. © NASA

빠른 진동으로 회전이 드러남

놀라운 사실이 나타났다. “우리는 이 시스템의 열핵 폭발에서 놀라운 진동을 발견했다”고 Jaisawal은 말했다. 예를 들어 중성자별 표면의 한 지점이 폭발할 때 방사선이 폭발하는 동안 X선 강도의 이러한 약간의 급격한 변동이 발생한다. 그런 다음 이것은 별의 회전에 의해 망원경의 시야로 반복적으로 회전된다. 그러한 진동은 4U 1820-30에서 이전에 명확하게 입증된 적이 없었다.

이러한 진동은 중성자별이 얼마나 빨리 회전하는지를 밝힐 수 있기 때문에 매우 흥미롭다. 4U 1820-30에서 이는 분명히 어지러운 속도로 발생한다. "진동은 이 중성자별이 초당 716번이라는 놀라운 속도로 회전한다는 것을 나타낸다"고 Jaisawal은 보고했다. 이는 분당 4만2960회전에 해당한다.

새로운 회전 기록

중성자별 4U 1820-30은 다음과 같은 기록 중 하나, 어쩌면 여러 개를 깨고 있다. “현재 비슷한 시스템에서 620헤르츠 이상의 진동을 보이는 다른 중성자별은 없다”고 천문학자들은 썼다. "4U 1820-30에서 716헤르츠 진동이 발견되면 X선 쌍성계에서 가장 빠른 중성자별이 될 수 있다.“

하지만 그게 전부는 아니다. 분당 4만2960회전하는 이 중성자별은 가장 빠르게 회전하는 천체 중 하나가 될 수 있으며 아마도 이전 기록 보유자를 능가할 수도 있다. 이 타이틀은 이전에 성단 Terzan 5의 펄서 PSR J1748–2446이 보유했으며 초당 약 716회전으로 회전한다. Jaisawal은 "향후 관측을 통해 우리 데이터가 확인된다면 4U 1820-30은 알려진 우주에서 가장 빠르게 회전하는 물체 중 하나가 될 것"이라고 말했다.

긴밀한 순환과 도난당한 헬륨

그리고 관측 결과 또 다른 기록이 확인되었다. 4U 1820-30은 알려진 쌍성계 중 가장 짧은 궤도 주기를 가지고 있다. 이 두 쌍의 두 번째 파트너인 대략 지구 크기의 백색 왜성은 중성자별 주위를 매우 가깝게 공전하여 한 궤도를 완료하는 데 11.4분밖에 걸리지 않는다. 두 별의 잔해는 서로 너무 가까워서 중성자별은 더 크지만 가벼운 파트너로부터 많은 양의 헬륨을 빨아들일 수 있다.

이 "도난당한" 헬륨은 밀도가 특정 임계값을 초과할 때까지 중성자별 표면에 축적되어 열핵 폭발이 발생한다. "이러한 폭발 동안 중성자별은 태양보다 최대 10만 배 더 밝아지고 엄청난 양의 에너지를 방출한다"라고 덴마크 기술 대학의 수석 저자 Jerome Chenevez는 설명했다. 새로운 관측에 따르면, 폭발이 일어나는 동안 중성자별의 표면 전체가 약 50km 정도 팽창하는 것으로 나타났다.
(The Astrophysical Journal, 2024; doi: 10.3847/1538-4357/ad794e)
출처:The Astrophysical Journal

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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