우리의 시각을 가로막고 있는 우주의 산 (중성자별)

중성자별의 산

최근 과학계는 "중성자별 산이 신비한 중력파에 대한 우리의 시각을 가로막고 있을 수 있습니다"라는 가설을 제시했습니다. 이들에 따르면 중성자별은 높이가 1밀리미터에 불과한 산으로 덮여 있으며 해당 산은 이전에 제안된 예측보다도 수백 배 더 작을 수 있습니다. 한 천문학자는 "이는 이러한 혹이 이전 추정치보다 수백 배 더 작다는 것을 의미합니다"라고 설명을 더 했습니다.

 

중성자별은 직경이 약 10km인 대도시와 비슷한 크기의 작은 별 물체로, 무게는 태양 질량의 1.4배 이상입니다. 이들은 태양 질량의 약 10~25배에 해당하는 별들의 폭발적인 죽음으로 탄생하게 되며 결과적으로 우주에서 가장 밀도가 높은 물체 중 하나입니다. 중성자별은 지구보다 약 20억 배 강한 중력장을 가지고 있으며 이 극단적인 중력은 중성자별을 매끄럽고 단단한 지각으로 둘러싸인 거의 완벽한 구체로 부숩니다. 천문학자들의 이전 연구에서는 지각의 변형으로 인해 이 별들의 표면에 산이 생성되는 것으로 밝혀졌습니다.

 

불완전한 구체

영국에서 열린 국립 천문학 회의에서는 이 산들이 이전에 과학자들이 생각했던 것보다 수백 배 더 작을 가능성이 있음을 시사하는 새로운 발견이 발표됐습니다. 영국 사우샘프턴 대학의 박사과정 학생인 수석 연구원 파비안 기틴스는 "아마도 산이 아니라 혹, 또는 언덕이라고 불러야 할 것"이라고 말했습니다. 과학 학술지에 따르면 중성자별의 지각은 별 외부의 단단한 층으로, 지구의 지각과 유사하며 별 내부에 초밀도 중성자 수프를 포함하는 부서진 무거운 원소의 핵으로 만들어집니다.

 

기틴스는 "이 별의 두께는 약 1km이며 밀도가 가장 낮습니다"라고 설명했습니다. 기틴스는 "지각이 엄청난 양의 압력을 받고 갈라지기 시작할 때 산이 형성되며 이 산들이 형성되는 방법에는 여러 가지가 있습니다"라며 "필요한 것은 별의 모양을 바꾸는 것뿐"이라고 덧붙였습니다. 산 형성에 대한 설명에는 "강한 전자기장으로 인한 변형 증가 또는 시간이 지남에 따라 산이 더 천천히 회전한다"라는 사실이 포함됩니다. 기틴스는 "이는 별이 갑자기 더 빨리 회전하기 시작하는 글리칭 현상으로 인해 발생할 수도 있습니다"라는 가설을 제시했습니다. 이어 그는 "산을 형성하는 원인이 무엇이든 관계없이, 산의 크기는 지각이 부서지기 전에 견딜 수 있는 변형의 양에 의해 제한됩니다. 지각이 강할수록 그것이 지탱할 수 있는 산이 더 커집니다"라고 부연했습니다.

 

예상보다 작다

기틴스와 그의 연구팀은 중성자별의 지각을 정확하게 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델을 만들어 중성자별 산맥의 크기를 예측했습니다. 기틴스는 "우리는 이 모델에 산을 형성한 다양한 수학적 힘을 적용했고 지각이 깨질 때까지 힘의 크기를 늘렸습니다"라고 말했습니다. 기틴스의 연구팀은 이를 통해 중성자별이 부서지지 않고 유지할 수 있는 산의 최대 크기를 예측할 수 있었습니다. 이들의 새로운 예측은 이 산들의 높이를 최대 1cm로 고정한 이전 추정치에 심각한 결함이 있을 수 있음을 보여줍니다.

 

이 문제를 조사하면서 이전 연구의 접근 방식에 기술적 문제가 있음을 발견했다는 기틴스는 "이전 예측에서는 하나는 중성자별의 지각이 모든 지점에서 지각을 최대로 변형시키는 모양이라고 가정했지만, 물리적으로 불가능한 것으로 판명되었습니다"라고 지적했습니다. 기틴스는 "우리의 접근 방식은 모든 지점에서 지각을 최대로 변형시키지 않고 단일 지점에서 최대로 변형시켰습니다"라고 전했습니다.

 

시공간에서의 파문

중성자별은 폭발하는 모별로부터 유지되는 각운동량으로 인해 빠르게 회전하는 것으로 알려져 있습니다. 기틴스는 이와 관련해 "비대칭 방식으로 변형된 중성자별이 회전할 때 주변 시공간 구조에 발생하는 잔물결은 중력파로 알려져 있습니다"라고 말했습니다. 지난 2015년 연구를 실시한 과학자들은 레이저 간섭계 중력파 관측소를 사용해 회전하는 두 개의 블랙홀에서 발생하는 중력파를 최초로 감지했습니다.

 

당시 레이저 간섭계 중력파 관측소는 "중성자별의 충돌로 인해 발생하는 두 개의 별도 중력파 현상을 감지했습니다"라고 보고했지만, 단독 여전히 중성자별은 파악하기 어려웠습니다. 기틴스는 "현재 우리는 회전하는 중성자별에서 나오는 중력파를 감지할 수 없습니다"라면서도 "그러나 이러한 비검출은 또한 과학자들에게 중성자별에 대해 많은 것을 알려줍니다"라고 첨언했습니다.

 

실제로 중성자별의 산이 작을수록 그들이 생성하는 중력파도 작아지며, 이에 따라 탐지 부족은 기틴스의 예측을 뒷받침할 수 있습니다.

 

기틴스는 "우리는 탐지기의 민감도를 알고 있으므로 중성자별의 산이 얼마나 커야 하는지에 대한 상한선을 정할 수 있습니다"라며 "일반적인 추세는 상한선이 점점 작아지고 있다는 것"이라 덧붙였습니다. 이러한 연구 결과에 따라 과학계에서는 "과학자들이 빠르게 회전하는 미세한 돌기에서 발생하는 시공간 파동을 발견할 수 있을 만큼 큰 탐지기를 구축하려면 다소 시간이 걸릴 수 있습니다"라는 전망도 나옵니다.