중성자별의 수수께끼와 핵물리학

by European Southern Observatory / https://www.flickr.com/photos/esoastronomy/

중성자별은 우주에 떠있는 거대한 원자핵입니다. 물질은 원자로 이루어져 있지만 원자의 질량 99.97%는 중심부에 있는 작은 원자핵이 담당하고 있습니다. 원자핵의 크기는 원자 크기의 불과 1만분의 1이므로 만약 원자핵 주위의 광대한 공간을 돌고 있는 전자를 제거하여 원자핵만을 모을 수 있다면 물질의 밀도는 1만의 제곱인 1조 배가 됩니다. 그런 것은 인공적으로는 할 수 없지만 중력의 힘으로 그것이 이루어져 생긴 것이 중성자별입니다. 태양의 8배 이상의 질량을 가진 큰 항성은 진화의 끝에 초신성폭발을 일으키고 중심부에서는 물질이 극한까지 압축되어 블랙홀이나 중성자별이 됩니다. 중성자별은 다수 발견되었고 관측에서 측정된 질량과 반경으로부터 계산하면 중성자별 중심부의 밀도는 보통 원자핵의 밀도보다 몇 배 더 큰 것을 알 수 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있지만 전하가 있는 양성자는 서로 쿨롱력으로 반발하기 때문에 우라늄처럼 큰 원자핵은 분열되어 붕괴됩니다. 거대한 중성자별은 전반적으로 전하가 중성입니다. 초신성 폭발시 별의 중심부에서 양성자는 양전하를 전자에 주어 중성자로 바뀌고 전자는 중성의 중성미자로 변화하여 날아갑니다. 오시바 마사토시는 1987년 초신성 폭발시 대량의 중성미자가 발생하는 것을 관측으로 실증해 노벨상을 수상했습니다.

중성자별의 내부는 수수께끼에 싸여 있습니다. 중성자별 표면 부근의 지각은 처음에는 원자핵과 전자로 이루어진 고체이지만 안쪽으로 가면서 중성자 과잉핵이 늘어나고 늘어난 중성자는 원자핵에서 흘러내리고 중성자의 바다에 원자핵(양성자 + 중성자)이 결정처럼 나란히 떠있는 물질이 됩니다. 이 중성자만으로 이루어지는 중성자 물질과 양성자와 중성자로 이루어지는 원자핵 물질이 스파게티처럼 끈상이나 판상의 다양한 형태로 나뉜 '원자핵 파스타'로 되어 있다고 예상되었습니다. 게다가 안쪽의 외핵은 거의 중성자 액체(중성자 물질)로 되어 있고 밀도가 통상 원자핵의 1~2배가 됩니다. 여기에서는 중성자는 2개가 페어를 만들어 초유동 상태로 되어 있는 것으로 예상되는 데 이 물질의 성질은 알 수 없습니다. 우리는 양성자와 중성자가 약 1대 1의 비율로 만들어진 일반적인 원자핵의 특성만을 알고 있습니다. 중성자로만 구성된 물질, 밀도가 통상의 원자핵보다 큰 물질이 어떤 성질을 가지고 있는지는 알 수 없습니다. 특히 중요한 것은 이 물질의 경도・부드러움을 나타내는 상태방정식으로, 이것에 의해 중성자별의 질량・반경이나 내부구조가 결정됩니다. 이 상태방정식을 조사하기 위해 RIBF에서는 '미니 중성자별'이라고 불리는 중성자 과잉핵을 인공적으로 만들어 다른 원자핵과 충돌시켜 압축하거나 중성자 과잉핵을 진동시키는 실험을 진행하고 있습니다. 오사카대학 RCNP에서는 납과 같은 안정적인 무거운 원자핵 표면에 있는 얇은 중성자 껍질(중성자 스킨)의 두께를 측정하여 중성자 물질의 상태방정식을 조사하고 있습니다.

더 안쪽에 있는 원자핵의 2~3배 이상의 밀도를 가지는 영역인 내핵에서는 일부가 Λ입자나 Ξ입자 등의 하이페론으로 변화해 중성자·양성자와 함께 스트레인지 핵물질이 되어 있을 가능성이 있습니다. 이것은 천연에는 존재하지 않는다고 생각되고 있던 s(스트레인지) 쿼크를 포함하여 말 그대로 매우 이상한 물질입니다. 하이페론은 가속기에서도 만들 수 있지만 양성자·중성자보다 무겁고 단시간에 부서져 양성자·중성자로 변화합니다. 그러나 내핵에 중력으로 갇힌 중성자는 양자역학의 '불확정성 원리'에 의해 큰 운동에너지를 갖기 때문에 그 에너지를 사용하여 일부 중성자가 반대로 하이페론으로 변화하여 안정됩니다. 양성자·중성자·하이페론으로 이루어진 원자핵을 하이퍼핵이라고 합니다. J-PARC 하드론 시설에서는 다른 종류의 미니 중성자별인 하이퍼핵을 인공적으로 만들어 다양한 하이페론이 원자핵에서 받고 있는 힘을 측정하여 중성자별 내부에 하이페론이 어떻게 존재하는지를 밝히려고 시도하고 있습니다. 지금까지의 KEK나 J-PARC 등에서의 연구로부터 Λ입자나 Ξ입자는 원자핵 내에서 인력을 느끼고 있는 것을 알고 있습니다. 그러면 중성자별에서는 Λ나 Ξ가 나타나기 쉬워집니다만, 한편 이러한 하이페론이 존재하면 중성자별이 너무 부드러워져 대질량의 중성자별의 관측사례와 모순된다는 수수께끼가 생겼습니다. 우리는 J-PARC 하드론 시설을 확장하고 하이퍼핵 현미경이라는 고분해능의 질량측정장치(High-Intensity High-Resolution 빔라인)를 도입하여 무거운 핵 내에서 하이페론이 받는 힘을 정밀하게 측정하여 이 문제를 해결하려고 시도하고 있습니다.

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중성자별 연성의 합체와 원소합성

2018년 중성자별 연성의 합체에 의한 중력파가 처음으로 관측되었습니다. 동시에 감마선의 섬광(감마선 버스트)도 관측되었고 그 방향으로 새로운 천체가 출현해 감광해 가는 모습이 X선·가시광·적외선으로 관측되었습니다. 이 감광의 모습으로부터 무거운 원소(란타노이드)가 중성자별 합체로 만들어진 것을 알게 되었습니다. 백금, 금, 우라늄 등의 무거운 원소의 약 절반은 중성자가 많은 환경에서 폭발적인 천체현상이 일어나는 것에 의해 만들어진다(rapid process)고 생각되고 있으며 초신성 폭발이 그 천체현상이라고 믿어져 왔는데 실제로는 중성자별 합체가 무거운 원소를 만들고 있었습니다. RIBF에서는 원소 합성 규명을 위해 빠른 과정의 상세를 조사하는 연구를 진행하고 있습니다. 중성자별 합체의 관측과 연계함으로써 우주에서의 원소합성의 규명이 조만간 달성될 수 있을 것 같습니다. 또한 중성자별 합체의 중력파 데이터나 중성자별의 X선 데이터로부터 중성자별의 경도를 알 수 있으며 내부에 하이페론 등이 있는지 단서를 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 이러한 중성자별의 관측 데이터와 J-PARC나 RIBF 등 지상의 실험실에서의 원자핵 물리실험 데이터를 연결함으로써 중성자별 내부의 모습도 규명할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

우주에는 인류가 전혀 모르는 물질이 있습니다. 현재의 차가운 우주에 존재하는 물질은 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 그러나 중성자별 내부의 물질에는 전자가 거의 없습니다. 또한 중성자와 양성자 모두 u(업) 쿼크와 d(다운) 쿼크라는 두 종류의 소립자로 이루어져 있기 때문에 지금 우주에 있는 모든 물질은 u, d 쿼크와 전자라는 3종류의 원소립자로 만들어진 것입니다.

그러나 중성자별 내부에 하이페론이 존재한다면 우주에 있는 물질은 s쿼크를 더한 4종류의 소립자로 되어 있는 것이 됩니다. 핵물리연구자들의 중성자별 물질의 연구는 인류의 물질관을 크게 바꿀 것으로 기대됩니다.


▣ 주석
중성자 과잉핵 : 원자핵은 양성자의 개수와 중성자의 개수는 1:1~1:1.5의 비율일 때 안정된다. 안정화되는 비율보다 중성자의 개수가 많은 불안정한 원자핵을 중성자 과잉핵이라고 한다. RIBF는 다양한 중성자 과잉핵을 대량으로 생성할 수 있는 세계 최고의 불안정핵연구용 가속기시설이다.

하이페론 : s(스트레인지) 쿼크를 포함한 바리온. 쿼크는 양성자나 중성자 등의 기초가 되는 소립자로 6종류가 있으며 양성자와 중성자는 가장 가볍고 안정된 u 및 d 쿼크만으로 구성된다. s쿼크는 3번째로 가벼우나 단시간에 u쿼크로 변화하는 불안정한 소립자. 바리온 이란 양성자와 중성자의 일종으로 3개의 쿼크로 이루어지는 입자. 하이페론에는 Λ입자, Σ입자, Ξ입자, Ω입자가 있다. 100피코초 정도의 수명으로 붕괴한다. J-PARC 하드론 시설에서는 고강도의 양성자빔을 사용해 하이페론을 다량으로 만들 수 있다.

중성자별 내핵의 물질 : 중성자별 내핵에서는 하이페론이 발생한다는 가설이 일반적이지만 π중간자, K중간자 등이 발생할 가능성이나 중성자에 갇힌 쿼크가 흩어진 고밀도의 쿼크물질로 되어 있을 가능성도 있다고 지적되고 있다. 태양계 주위에는 존재하지 않는 매우 이상한 물질이다.

J-PARC 하드론 시설 확장 : J-PARC 하드론 시설을 2배 이상의 면적으로 확장하여 새로운 빔라인을 설치하여 현재 세계에 공급하고 있는 최고 강도의 하드론 빔(K중간자, π중간자, 반양성자 등의 빔)의 품질이나 종류를 압도적으로 높일 수 있는 새로운 빔라인을 복수 설치할 계획. 하이퍼핵의 정밀한 연구나 하이페론의 힘의 측정으로부터 중성자별 내부를 규명하는 것과 동시에 핵력(양성자·중성자간에 작용하는 원자핵을 형성하는 힘)의 기원을 이해하거나 s쿼크나 c쿼크를 포함한 새로운 바리온을 발견하고 쿼크가 어떻게 조합되어 양성자, 중성자 등의 입자가 태어났는지를 찾는 것을 목적으로 한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 中性子星の謎と原子核物理学
http://kakudan.rcnp.osaka-u.ac.jp/jp/overview/world/NeutronStar.html