인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우주에 있는 별의 종류는 편의점에 있는 물건처럼 다양하다. 그 중 우리가 맨 눈으로는 볼 수 없는 중성자별(neutron star)이 있다.

중성자별은 초신성 폭발 직후 무거운 별이 중력붕괴하여 만들어진 밀집도가 높은 별의 일종이다. 간단하게 말하자면 초신성 폭발 후 별의 중심핵이 극단적으로 압축되어 남아 있는 상태이다. 여기서 더 압축이 진행되면 물질이 붕괴해 블랙홀이 만들어진다. 중성자별은 현재까지 관측된 우주의 천체 중 블랙홀 다음으로 밀도가 크다. 거의 12~13㎞의 반지름에 태양의 수 배에 달하는 무거운 질량을 가지고 있다.

중성자별이 생성되는 세부적인 과정은 아직 완전히 알려져 있지는 않지만, 태양 질량의 약 10배 이상이 되는 별이 진화하여 폭발 할 때 생성될 수 있으며, 표면 온도가 매우 높고 강력한 자기장을 가지고 있을 것으로 추정된다.

중성자별은 그 크기가 매우 작고, 가시광선 영역에서는 특히 어둡기 때문에 광학망원경을 이용하여 발견하기가 매우 어렵다. 첫 번째 중성자별의 발견은 전파망원경 활용이 활성화 된 1967년에 휴위시(Antony Hewish)와 벨(Jocelyn Bell)이 처음 발견한 이후, 지금까지 우리은하와 마젤란은하에서 약 2000개의 중성자별이 발견되고 있다.

중성자별의 물리적인 특성은 질량과 반지름 및 온도 등으로 정해진다. 중성자별의 질량은 쌍성계에서 중성자별의 회전주기 분석을 통하여 가장 정확히 측정된다. 반지름은 일반적으로 측정하기 매우 어려우나, 많은 가정 하에 ‘스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzman law)’을 적용하여 결정한 반지름은 대략 8-12㎞이다. 크기가 큰 중성자별조차도 32㎞를 넘지 못한다. 그럼에도 대부분 질량은 태양의 2배에 달한다. 중성자별의 표면온도는 생성초기에는 매우 높았다가, 복사로 인하여 식어 몇 년 내에 수백만도 정도가 되고, 이후 수백만 년에 걸처서 식으며 온도가 서서히 떨어진다.

중성자별도 다른 별들과 마찬가지로 양파껍질 구조를 가진다. 별의 바깥 부분은 수 미터 정도의 대기로 구성되어 있는데 두께는 얇지만 밀도가 높아 실제 표면에서 방출되는 흑체복사를 변형하기도 한다. 별의 외각(outer crust)은 격자구조의 이온(철, 수소, 헬륨 등)과 전자로 구성되어 있으며, 내부로 들어갈수록 압력이 높아져 이온 내의 핵간의 결합이 깨져 중성자가 나오는 ‘중성자흘림(neutron drip)’ 현상이 발생한다.

더 깊이 들어갈수록 이온에서 중성자가 더 많이 빠져나오고 양성자와 전자가 결합하여 중성자가 되기 때문에 중성자가 많아져 거의 중성자로만 이루어진 중심핵(core)이 된다. 오직 중성자만으로 구성된 내핵의 반지름은 0〜3㎞ 정도다. 이 지점에 이르면 중력이 블랙홀과 종이 한 장 정도의 차이만 남겨둘 정도로 강하기 때문에, 중성자도 찌그러진 쿼크 같은 물질의 기본을 구성하는 미립자도 존재할 것으로 추정된다. 물론 블랙홀은 쿼크들마저도 찌그러진 세계지만 중성자별은 그 직전의 단계에서 머무를 것으로 알려져 있다. 중심핵은 현재 핵물리학으로 이해되는 밀도보다 더 높은 밀도를 가지며, 핵에서 중성자가 어떻게 되는지는 아직 규명되지 않았다.

중심핵 바깥에서 핵융합된 물질들이 핵에 계속 보태지면서 무거워지다 언제가는 중심핵의 질량이 ‘찬드라새카한계(Chandrasharker limit)’인 태양 질량의 1.4배를 넘어가게 된다. 이 상태에서는 전자 축퇴압으로도 심 외부 물질의 중력을 감당할 수 없게 되어 외부 물질이 심을 급격히 수축시켜 밀도가 상승한다. 중심핵의 밀도가 높아지면서 전자와 양성자가 결합하여 중성자가 만들어져 중성자가 매우 많은 핵이 형성된다.

이 중성자들 역시 배타원리에 의하여 축퇴압을 발생하는데 중성자의 축퇴압은 전자의 축퇴압보다 더 강하여, 중심핵을 수축시키던 물질들은 더 이상 심을 수축시키지 못하고 외부로 튕겨나가 초신성이 되고, 축퇴된 중성자로 이루어진 별의 심은 강한 중력때문에 깨지지 않고 남아 중성자별이 된다.

이 물리적 과정에서 별의 각 운동량은 보존되는데, 매우 느리게 회전하는 별이라도 각 운동량 보존에 의해 수축하면서 회전속도는 증가한다. 최종적으로 만들어진 매우 작은 중성자별은 빠르게 회전할 것으로 예상된다. 빠르게 회전하고 강한 자기장을 가진 중성자별은 규칙적으로 전파강도의 변화를 보이는 펄사가 될 것으로 예상된다.

중성자별들의 물리적인 특징은 거의 같을 것으로 추정되지만, 회전주기와 자기장 및 복사 에너지의 근원에 따라 다양한 유형으로 분류된다. 이러한 중성자별은 아직 실체가 명확하게 밝혀지지 않는 신비성으로 인해 '용의 알' 등 SF소설과 '스타크래프트' 등 우주창작 게임이나 '어벤져스'와 '스타트렉' 등 영화 등에 단골로 등장하고 있다.

그러한 의미를 담아 그림 ‘우주삼라만상(중성자별)241510’를 그리고, 시 ‘오 중성자별이여!’를 썼다.

/우주화가 하정열(Cosmos Painter Ha, Jung-Yul)  

하정열 칼럼니스트

press@interview365.com

다른기사 보기