중성자별의 정의와 발견, 특징, 구조

 

 

 

 

1. 중성자별의 정의와 발견

중성자별의 정의는 매우 거대한 초신성의 폭발 후, 자체 중력으로 중심핵이 붕괴하기 시작하고, 이때 중심핵의 밀도가 매우 증가하게 되면서 압력이 증가하여 붕괴를 멈추면 주로 중성자로 구성된 소형 물체를 형성하는데, 여기서 형성된 천체를 중성자별이라고 합니다.

중성자별 생성 시 만약 그 별의 중심핵의 밀도가 태양의 질량보다 두 배 정도 크다면 중심핵은 중성자별 대신 블랙홀이 됩니다. 이것이 중성자별과 블랙홀의 형성 차이입니다.

중성자별의 발견은 1960년대에 이루어졌습니다. 중성자별은 1930년대에 과학자들에 의해 처음 예측되었습니다. 이는 중성자의 발견 단 몇 년 후였습니다. 과학자들은 초신성의 기원에 대해 연구하는 과정에서 일반 별이 극단적으로 밀집된 중성자로 구성된, 즉 중성자별이 된다는 이론을 제시하였습니다. 그러나 과학자들은 중성자별이 너무 희미해서 관측이 어려울 것으로 예측했습니다. 그러다 시간이 흘러 1967년 케임브리지 대학의 대학원생 조셀린 벨이 외부로부터 규칙적인 전파를 발사하는 신호를 발견했는데, 처음엔 인간이 만들어낸 신호의 간섭이나 심지어 외계인이 보내오는 신호일 수 있다고 생각했습니다. 그러나 계속된 연구 끝에 새로운 유형의 천체, 중성자별에서 나오는 전파라는 것을 알게 되었습니다. 그 전파를 방출하는 천체를 펄서라고 합니다. 간단히 말해서 펄서는 매우 강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별입니다.

펄서의 발견으로 최초의 중성자별을 관측하게 된 것입니다. 

 

 

2. 중성자별의 특징

중성자별의 특징은 태양보다 질량은 크지만, 크기는 몇 킬로미터에 불과하며, 엄청나게 높은 밀도와 매우 강한 자기장을 가지고 있는 것이 대표적인 특징입니다.

중성자별의 질량은 우리 태양의 약 1.4배 ~ 2배 정도로 비슷하거나 조금 큽니다. 그러나 크기는 지름이 20km 정도에 불과하여 실제로 관측할 수 없으며, 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높습니다. 이것은 중성자별이 매우 강한 중력장을 가지고 있다는 의미입니다. 

중성자별의 또 다른 특징 중 하나는 매우 강한 자기장의 존재입니다. 이 자기장은 지구 자기장보다 10억 배나 더 강할 수 있고, 자기장의 전하를 띤 입자가 믿을 수 없을 정도로 빠른 속도로 가속되면서 회전하여 펄서를 방출하게 됩니다. 보통 신생 중성자별은 초당 수 회의 회전수를 보이는데 오래된 중성자별은 한 번 회전하는 데 수 초 정도 걸릴 수 있다고 합니다. 그 이유는 중성자별은 회전하는 자기장을 통해 에너지를 방출하기 때문에 시간이 지나면서 회전하는 속도가 느려지기 때문입니다.

중성자별 표면의 중력장은 엄청나게 강하게 작용합니다. 이렇게 강력한 중력장은 중력렌즈의 역할을 하는데, 일반적으로 보이지 않는 중성자별의 반대편 반구에서 빛의 경로를 중력렌즈 현상으로 휘게 하여 관찰자에게 보이게 만드는 특징도 가지고 있습니다. 또 다른 특징으로는 중성자별은 매우 뜨거우며, X선과 감마선과 같은 고에너지를 방출하고 있다는 것입니다.

 

 

3. 중성자별의 구조

중성자별의 구조는 아직 정확하게 밝혀지지 않았습니다. 그러나 현재 중성자별의 구조는 수학적 모형으로는 추측이 가능합니다. 별의 바깥 부분은 수 cm 정도의 얇은 대기로 구성되어 있는데 밀도가 매우 높고, 대기의 운동은 철저하게 별의 자기장에 의해 통제될 것입니다. 중성자별의 껍질은 원자로 이루어져 있으나 원자핵과 전자가 따로 분리된 이온 상태일 것으로 추측합니다. 만약 표면 온도가 100만 k 이상이라면 이온이 액체 상태이겠지만, 표면이 그보다 낮은 온도라면 고체 지각이 형성될 가능성이 있습니다. 지각이 고체인 경우 엄청나게 강력한 중력장으로 극도로 딱딱하며, 매우 미끄러울 것입니다. 더 깊이 들어가면 중성자 수가 점점 많아지는 원자핵들이 존재하는데, 이러한 원자핵들은 지구 기준으로 빠르게 붕괴하겠지만, 중성자별에선 엄청난 압력으로 인해 안정적으로 유지할 수 있게 됩니다. 더 깊이 들어가면 원자핵에서 중성자가 더 많이 빠져나오고 중력의 힘이 극도로 강해지기 때문에 원자핵이 점점 작아지다 중심핵에 이르면 찌그러져서 결국 중성자로만 이루어진 핵만 남습니다. 중심핵에 있는 초고밀도 물질의 조성은 아직까지 알려지지 않았습니다. 그러나 중심핵은 반지름이 0 ~ 3km 정도로 추정하며, 이 지점에 이르면 중력이 블랙홀과 비슷해져 중성자도 찌그러진 쿼크 같은 물질의 기본을 미립자로 존재할 것으로 보입니다.