중성자별은 물리의 보물창고

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

중성자별이 발견된 1967년으로부터 반세기에 해당하는 2017년은 연성 중성자별의 합체로부터의 중력파가 검출된 기념비적인 한 해가 되었다.

중성자별은 많은 천문학자와 물리학자를 유혹한다. 중성자별은 대질량 항성이 초신성폭발을 일으킨 후에 남는 특수한 천체이다. 반경 12km 안에 태양질량의 약 1.4배의 물질이 갇혀 매우 중력이 강하다. 따라서 별표면으로부터의 빛은 적색편이를 받고 이면의 빛이 구부러져 관측자에게 도달하기도 한다. 또한 중성자별의 연성에서는 궤도운동을 바꿀 정도의 강한 중력파도 나온다. 이 강한 중력에도 별이 붕괴되지 않는 이유는 내부가 지상에서 실현되지 못할 정도로 고밀도로 원자핵끼리 녹아 핵력이 별을 지지하기 때문이다. 중심을 향해 밀도는 증가하고 코어에서는 하이페론 등 통상에서는 볼 수 없는 특수한 입자가 발생한다고도 보여진다. 이 중성자별의 내부가 어떻게 되어 있는지는 현대의 기초물리학에서 중요한 미해결 문제 중 하나이다.

초신성폭발로 별 반경이 작아지면 중성자별은 초당 수십 회전의 고속 자전을 한다. 피겨스케이팅에서 회전하면서 팔을 접어 회전이 빨라지는 것과 같은 원리이다. 그 고속의 회전으로 인해 하전입자가 외향으로 가속되어 내뿜어지는 펄서풍으로 관측되고 있다. 또한 작은 공간으로 밀어 넣어져 자기장이 강해졌고 전자는 자력선을 따라 움직일 수 있지만 수직으로 움직이지 않고 에너지 준위가 이산화된다. 그 결과 별의 스펙트럼(색)에 그 증거(전자 사이클로트론 공명)가 보이게 된다. 이처럼 중성자별은 '강중력', '고밀도', '고속회전', '강자기장' 혹은 '강한 복사장' 등 극한적인 물리를 조사하는데 매력적인 우주의 실험실을 인류에게 제공해주고 있다. 이 물리환경에 있는 중성자별은 천문학자뿐만 아니라 물리학자에게도 매우 흥미로운 천체이다.

중성자별은 주기적인 전파신호를 내는 펄서로서 지금부터 반세기 정도 전인 1967년에 발견되었다. 현재는 2,500개 정도가 알려져 있으며 다양한 종족이 발견되고 있다. 우리에게 친밀한 가시광선으로 빛나는 별은 핵융합을 에너지원으로 하고 어떤 타입이 어떻게 진화하는지는 오랜 연구 덕에 거의 알고 있다. 한편 중성자별은 어떤 종족이 있고, 어떻게 진화할 것인지 충분히 알 수 없어서 우주과학에서 최전선에 자리 잡고 있다. 중성자별에도 개별 천체에 큰 개성이 있으며 각각 매력적인 관측대상이지만 폭넓은 관점에서 보면 중성자별의 다양성과 진화의 통일적 이해를 목표로 하는 것이 현재의 관측적 연구의 큰 흐름이라고 할 수 있다.

대다수의 중성자별은 전파펄스를 내는 천체로 별의 회전 에너지가 외향으로 내뿜는 하전입자의 흐름이나 전자파 방사로 변환되고 있다. 중성자별은 안정적이고 정적인 모습이 상상되지만 최근의 관측에서는 막대한 에너지를 감마선으로 방출하는 거대 플레어나 밀리초의 스파이크 모양의 방사(쇼트 버스트), 돌발적인 X선에서의 증광 등 격렬한 활동이 많이 발견되어 동적인 모습이 밝혀졌다. 이러한 활동성의 이해의 열쇠는 별의 내부에 숨어 있는 강한 자기장과 그것에 기인하는 자기활동이라고 생각되고 있는데 가장 극단적인 예는 은하계 내 등에 20개 정도 발견되어 온 우주에서 가장 강한 자석성인 '마그네터'이다. 또 마그네터와 통상의 전파펄서의 중간적인 성질을 가진 강자기장 펄서와 초신성 잔해의 중심에서 발견된 연 X선 점원 Compact Central Objects(CCOs), 돌발적으로 전파펄스에서 발견되었던 Rotating RAdio Transients(RRATs), X선으로 빛나는 지구 근방의 중성자별 X-ray Isolated Neutron Stars(XINSs) 등 다양한 종족이 발견되고 있다. 자기활동을 일으키는 활동적인 모습이 인식됨에 따라 탄생 후에 서서히 자기장을 감쇠하면서 진화하는 중성자별의 모습이 그려지기 시작했다.

중성자별 내부의 고밀도 상태는 원자핵과 우주물리에 걸친 중요한 문제이다. 그 상태를 밀도와 압력이라는 미크로 물리량으로 기술하는 '상태방정식'은 적분하면 별의 질량과 반경이라는 매크로 물리량에 대응한다. 따라서 질량과 반경의 관측이 중요한 의미를 가지고 있다. 질량의 측정은 중성자별이 다른 별과 연성을 조합해 서로의 주위를 공전하는 경우에 별로부터 나오는 전파빔이나 표면으로부터의 X선 펄스의 관측으로부터 연성 궤도 파라미터를 측정하면 정밀하게 구해진다. 한편 반경을 알기 위해서는 별의 표면으로부터의 X선을 관측할 필요가 있고 천체까지의 거리의 부정성이나 별의 대기, 성간공간에서의 흡수의 영향도 커 정밀도가 좋은 측정이 매우 어렵다.

이에 주목받고 있는 것이 강한 중력장에서 근방의 공간이 구부러져 빛의 경로가 왜곡되어 오는 효과이다. 같은 질량의 중성자별이라도 이 효과는 반경이 작을수록 강하기 때문에 별의 뒤쪽의 핫스팟으로부터의 빛이 돌아서 관측자에게 닿는다. 따라서 별의 자전에 따른 밝기의 변화(펄스 파형)를 정밀하게 측정함으로써 공간의 왜곡상태를 측정하고 별의 질량-반경비를 측정하는 아이디어가 있다. 이 측정에는 수많은 X선 광자를 검출할 필요가 있어서 이를 위해 개발되어 온 것이 NASA가 주도하는 대면적 X선 망원경 Neutron star Interior Composition ExploreR(NICER)이다. 이것은 X선을 모으는 직경 14cm 정도의 집광계와 그 초점면에 설치하는 실리콘 드리프트 검출기를 56개 묶은 장치로 중성자별의 표면으로부터의 열방사에 특화된 1.5keV에서 가장 많은 X선을 모으기 위해 설계되었다.

중성자별을 주목적으로 한 X선 망원경 NICER(왼쪽)는 국제우주정거장에 탑재하기 위해 SpaceX사의 Falcon9 로켓으로 발사되었다(오른쪽) © NASA

2017년 6월 3일 케네디우주센터에서 SpaceX사의 Falcon9 로켓에서 NICER가 발사되어 국제우주정거장에 탑재되어 관측을 시작했다. NICER는 현재 국제우주정거장에서 순조롭게 관측을 계속하고 있으며 중성자별의 질량·반경 측정을 목적으로 하는 주요 타겟의 관측은 물론 전천 X선 감시장치 MAXI가 찾아낸 돌발천체를 추적 관측하는 등 대활약하고 있다.

중성자별에는 다양성과 기초물리를 모두 시야에 넣는 매력이 있다. 최근 몇 년 동안 중성자별 연성의 합체에 수반되는 중력파가 발견되어 상태방정식을 규명할 가능성이 열리는 등 연구도 새로운 단계에 들어왔다.

하나 매력을 느끼는 테마로서 고속으로 자전하는 중성자별로부터의 정상중력파가 있다. 자기장이 감쇠하여 약해진 중성자별에서는 질량강착에 따라 각운동량이 반입되어 스핀업하여 고속으로 자전하게 된다. 이러한 고속 자전하는 중성자별은 서브 밀리초까지 회전주기가 빨라지면 원심력으로 파괴되어 버릴 것이다. 사실 이러한 중성자별들은 깨지지 않고 고속으로 회전하고 있으며 어떤 메커니즘이 각운동량을 이탈시키고 있다. 강착원반이 기여한다는 생각도 있지만 중성자별의 표면에 작은 산이 있는 등 구대칭으로부터 형상이 약간 왜곡되어 있으면 고속 자전에 수반해 방출되는 중력파가 각운동량을 소모시킨다는 아이디어도 있는 등 중력파 간섭계 LIGO에서의 정력적인 탐사가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 종류의 천체의 대부분은 자전주기를 모르기 때문에 탐사의 계산자원이 막대하고 현시점에서는 정상중력파는 발견되지 않았다.

가장 유망한 표적은 전천에서 가장 밝은 X선 천체 중 하나인 '전갈자리 X-1'이다. 이 중성자별은 고속 자전하고 있다고 생각되지만 자기장이 약하고 펄스가 보이지 않기 때문에 자전주기는 알 수 없다. 그러나 2개의 준주기 진동이 발견되고, 그 차분 주파수가 자전에 대응하는 것으로 생각되고 있고 중력파 탐사도 그 정보에 기초하여 행해지고 있다. 불행하게도 차분주파수는 질량강하율에 따라 변동하기 때문에 모니터링 관측이 필요하다. 이 천체는 최첨단의 X선 망원경에서는 너무 밝고 드물게만 관측도 이루어진다. 그래서 이 조건을 역이용하여 NICER의 모듈 중 하나를 전용하고 전갈자리 X-1만을 전용으로 관측할 수 있는 소형 위성의 검토를 진행하고 있다. 거액의 예산을 걸고 리스크를 취할 수 없는 대형 위성으로 도전적 테마는 어렵지만 소형이라면 기동적으로 도전적 테마를 노릴 수 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 中性子星の織りなす物理の魅力
https://www.isas.jaxa.jp/feature/forefront/180618.html