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- 펄서 PSR J0952-0607의 무게는 약 2.35 태양질량
- 쿼크와 중성자로 이루어진 유체
- 중성자별 내부의 중성자는 부분적으로 기본 구성 요소인 업 및 다운 쿼크로 붕괴

우리은하에서 가장 무거운 중성자별
매우 빠른 펄서는 회전하는 중성자 별에 대한 질량 기록을 깨뜨린다.

천문학자들이 3천 광년 떨어진 펄서의 질량을 처음으로 측정하고 놀라운 발견을 했다. 나머지 별의 질량은 2.35 태양질량이므로 우리 은하에서 가장 무겁고 밀도가 높은 중성자별이다. 이 펄서가 극도로 빠르게 회전하지 않았다면 오래전에 블랙홀로 붕괴되었을 것이다. 중성자별은 물질을 추출한 동반성 덕분에 큰 질량을 가질 수 있다. 

▲ 펄서 PSR J0952-0607은 "블랙 위도우"일 뿐만 아니라 우리 은하에서 가장 무겁고 빠르게 회전하는 중성자별이기도 하다. © NASA/GSFC

중성자별은 수명이 다한 거대한 별이 폭발하고 중심핵이 붕괴될 때 형성된다. 질량에 따라 결과는 블랙홀이나 중성자별이 된다. 10~15km는 작지만 매우 밀도가 높은 물체다. 그 안의 물질은 너무 강하게 압축되어 원자가 녹는다. 현재 모델에 따르면 이러한 중성자별의 무게는 회전하지 않으면 최대 2.16 태양질량이고 회전하면 약 20% 더 무겁다.
그러나 밀리초 펄서와 같이 빠르게 회전하는 중성자별의 질량 상한선이 정확히 어디에 있는지는 아직 명확하지 않다.

저울에 "블랙 위도우“

스탠포드 대학의 로저 로마니(Roger Romani)가 이끄는 천문학자들은 이제 처음으로 은하수에서 가장 빠른 중성자별의 무게를 측정했다. 2017년에 발견된 펄서 PSR J0952-0607은 분당 4만2000번의 속도로 축을 회전하며 강력한 무선 및 감마선 방출을 방출한다. 그것은 "블랙 위도우"다. 약 20개의 목성의 질량을 가진 동반성이 시간이 지남에 따라 거의 완전히 침식되고 파괴된 동반성이 공전한다.

이 펄서의 질량을 결정하기 위해 연구원들은 하와이 켁 천문대의 10미터 망원경을 사용해 가능성이 없는 쌍을 반복적으로 표적으로 삼았다. 고해상도 분광기를 사용하여 동료 별의 빛 스펙트럼에서 미세한 변동을 관찰했다. 이것들은 이 별이 어떻게 움직이는지, 그리고 중성자별이 그것에 어떤 중력 영향을 미치는지 알려준다. 이것으로부터 그들은 펄서의 질량을 결정할 수 있었다.

다른 어떤 것과도 비교할 수 없는 무겁고 조밀

펄서 PSR J0952-0607의 무게는 약 2.35 태양질량이다. 따라서 이 별은 중성자별의 절대 상한선에 가깝고 천문학자들이 보고한 대로 은하수에서 알려진 가장 무거운 중성자별일 것이다. "우리는 블랙홀 경계에 더 가깝게 움직이는 다른 블랙 위도우와 유사한 중성자별을 찾을 것이다"라고 Romani가 말했다. "우리가 아무것도 찾지 못한다면 그것은 2.3 태양질량이 절대 상한이라는 주장을 강화한다.“

이 펄서가 항상 그렇게 무거웠던 것은 아니다. Romani와 그의 동료들은 이 중성자별도 태양질량의 약 1에서 1.5배의 질량으로 시작했다고 가정하는데, 이는 그러한 별 잔해에 일반적이다. 시간이 지남에 따라 동반성에서 점점 더 많은 물질을 끌어 들이기 때문에 점점 더 무거워졌다. 천문학자들은 "우리 데이터에 따르면 PSR J0952-0607은 아마도 강착을 통해 최소 0.5 태양질량에 1태양질량을 더 얻었다"고 결론지었다.

쿼크와 중성자로 이루어진 유체

이 펄서의 질량 결정은 중성자별 내부의 모습을 드러낼 수 있기 때문에 흥미롭다. 이 별의 잔해에 있는 물질은 너무 강하게 압축되어 아마도 가장 조밀하게 보이는 천체일 것이다. 오직 블랙홀만이 더 조밀하다. 현재의 모델에 따르면 중성자별 내부의 압력이 너무 높아 전자가 핵으로 밀려들어가 양성자와 융합하여 중성자가 된다.

중성자별 내부의 중성자는 부분적으로 기본 구성 요소인 업 및 다운 쿼크로 붕괴되며 입자는 함께 중성자와 쿼크의 초유체 혼합물을 형성한다. 그러나 지금까지는 기이한 쿼크나 이들로 구성된 카온을 포함해 별 잔해의 중심에 훨씬 더 이국적인 입자가 존재하는지 여부는 불분명하다. 그들의 형성은 내부 조건에 달려 있기 때문에 중성자 별의 질량 상한을 결정하면 이러한 입자가 거기에 존재할 수 있는지 여부를 알 수 있다.

Romani와 그의 동료들에 따르면, 그들이 이제 결정한 펄서의 질량은 그러한 이국적인 혼합물에 반대한다. "중성자별의 최대 질량이 높다는 것은 중성자와 위아래 쿼크의 혼합물이 중심에 도달한다는 것을 나타낸다"라고 Romani는 설명했다. "이것은 일부 모델에서 제안된 물질의 더 많은 이국적인 상태를 배제한다."
(The Astrophysical Journal Letters, in press; arXiv:2207.05124)
출처: University of California Berkeley, W.M. Keck 천문대

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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