무거운 중성자 별은 상대적으로 가벼운 핵을 보유

 

중성자별 핵 관찰 내용

태양보다 훨씬 무거운 항성이 그 생애를 마무리할 때, 핵 중심 부분은 수축하여 밀도가 아주 높은 중성자별로 변환합니다. 즉, 중성자별은 초신성 폭발 직후 무거운 별이 중력붕괴하여 만들어진 밀집성의 일종으로 우주에서 관찰가능한 별 중 가장 밀도가 높은 것중 하나입니다. 전체가 하나의 원자핵이라고도 표현될 정도로 응축되어 있다고 볼 수 있습니다. 중성자 별에 대해 추가적으로 설명하자면, 현재까지 관측된 천체 중에서 밀도가 높은 천체는 블랙홀 밖에 없을 정도입니다. 중성자별을 연구하는 이유는 여러 가지가 있는데, 물질이 극한 상태로 유지되는 장소입니다. 그러나 구체적인 물성을 조사할 수 있다는 점이 흥미로운 부분이 됩니다. 다만, 중성자의 내부는 고밀도/ 고에너지 환경이기 때문에 정확한 성질을 알 수 없습니다. 중국 천체 과학원의 Ming-Zhe Han 연구팀은 여러 중성자별의 관측 데이터와 이론 계산을 이용하여 중성자별의 내부 모습을 조사했습니다. 연구에는 중성자별끼리의 합체를 포착한 중력파 'GW170817', 정확한 크기가 판명되고 있는 중성자성PSR J0030+0451', 최고 중력을 갖는 중성자성 'PSR J0740+6620' 데이터가 사용되었습니다. 이렇게 중성자 내부를 관측한 데이터와 기존 원자핵과 관련된 연구 데이터 및 이론을 결합하여 중성자별의 내부 상태를 시뮬레이션할 수 있었습니다. 그 결과, 무거운 중성자별은 전부다 단단할거라는 예측과는 다른 결론에 도달할 수 있게 되었습니다. 보통 중심부로 갈수록 물질이 강하게 압축되기 때문에 단단해지고, 밀도가 높아지는 경향이 있습니다. 이와 마찬가지로 중성자별을 구성하는 물질의 대부분이 중성자로 만들어진 핵이라고 추론되고, 당연히 중심부로 갈수록 단단해질 거라는 예측은 큰 무리가 없어 보였습니다. 하지만, 극단적으로 무거운 중성자 별의 시뮬레이션 결과에서는 가장 단단한 부분이 중심부가 아니라 그 주변일 수 있다는 것이 도출되었습니다. 즉, 달리 중심부가 가장 단단해지는 것이 아니라 그 주변이 가장 단단해질 수 있다는 것이었습니다.

 

중성자별 핵 관찰 결과

무거운 중성자별의 중심에서 물질 구성이 변화한다고 가정하면, 부드러운 핵(코어)을 가질 가능성 있습니다. Ming-Zhe Han 연구원은 중성자 별의 중심부는 원자핵으로 되어 있지 않고, 원자핵을 구성하는 중성자나 양자가 분해되어 소입자인 쿼크물질 상태로 보인다고 발표했습니다. 중성자 별이 태양의 2.14배 이상의 질량을 가지게 되면 쿼크 물질로 만들어진 핵을 가질 가능성이 높다고 추정하였습니다. 핵이 구성되는 물질이 변환된다면 중심부 핵이 가장 밀도가 높지 않다는 시뮬레이션의 결과를 설명할 수 있게 됩니다. 태양의 무게의 2.14배가 넘어가면 중성자별이 붕괴되어 블랙홀이 되어 버린다는 "톨만 오펜하이머 볼코프 한계"의 연구결과에도 부합합니다. 또한 이 연구에서 밝혀진 결과를 바탕으로 태양 무게의 2.01배 이하의 입체 중성자별에도 쿼크 물질의 핵이 존재할 가능성은 낮다고 추정됩니다. 중성자별의 중심부는 물질이 극한 상태로 유지되는 장소로 과학자들의 흥미를 끕니다. 극한 상태 연구는 우주의 탄생을 연구하는 것을 따라가게 됩니다. 따라서 중성자별의 중심을 연구하는 것은 물질의 성질을 결정하는 다양한 물리적 파라미터를 알기 위해 필요합니다. 이러한 의미에서 중성자별에서 이상한 핵이 존재하는지 여부를 조사하는 연구는 매우 중요한 의미를 가집니다.

 

 

중성자별에 대항 추가적인 설명

앞서 이야기한 것처럼 중성자별은 수학적 모형에 의해 내부 구조에 대한 이해가 가능합니다. 그리고 빈도스펙트럼 분석을 통해 내부구조가 추정되기도 합니다. 중성자별에 대해 설명을 하자면, 대부분이 원자핵으로 구성되어 있고, 원자핵들 사이가 전자의 바다로 이루어져 있다고 볼 수 있습니다. 그러다 보니, 표면에 있는 원자핵은 핵당 결합에너지가 매우 큰 철로 추정되고, 수소나 헬륨 같은 가벼운 원자핵을 제외한다면 표면 아래에 쉽게 가라앉을 수 있는 철과 같은 중원소도 있을 것입니다. 중성자별의 대기는 마이크로미터 정도밖에 되지 않을 거라고 보고 있으며, 별의 운동은 자기장에 의해 통제됩니다.