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거대한 중성자성들은 왜 투시 팝을 닮았을까?
거대한 중성자성들은 왜 투시 팝을 닮았을까?
  • 장순관 기자
  • 승인 2020.07.10 09:40
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장순관 기자
새로운 장비 덕택에 전례 없이 정밀한 중성자성의 지도를 만들 수 있다. 그러나 물리학자들은 여전히 중성자성 속에 무엇이 있는지 알아내고자 한다.

지구는 극한의 공간인 우주 속의 온화한 오아시스다. 우주 공간의 천체 중 중성자성보다 더 지독한 것은 찾기 드물다. 중성자성은 일정 질량의 항성이 죽으면 생겨난다. 이 항성들의 핵이 수축되면서, 질량은 태양의 수 배인데 직경은 도시 하나 정도밖에는 안 되는 천체가 만들어지는 것이다. 그 속에서 우리가 알고 있는 형태, 즉 밀도 낮은 전자에 둘러싸인 밀도 높은 양성자와 중성자로 이루어진 형태의 원자는 사라진다. 중력으로 인해 원자 중심부는 붕괴되고 중성자들 간의 밀도는 높아진다. 이 상태에서 질량이 더 높아지면 중성자성은 블랙홀로 진화하고, 원자는 관측이 불가능하게 된다.

캘리포니아 주립 대학 풀러톤 캠퍼스의 천체 물리학자 조셀린 리드는 이런 글을 썼다. “중성자성은 물질이 압도적인 질량에 힘에 맞서 붕괴하기 전 마지막으로 버티는 곳이다.”

천문학자들은 다양한 방법으로 중성자성을 탐지할 수 있다. 그러나 중성자성 내부의 상태에 대해서는 잘 알려져 있지 않았다. 다행히도 오늘날의 관측 및 이론은 수 십 년간의 연구를 통해 중성자성의 이름을 바꾸자고 제안할 정도로 발전했다. <네이처 피직스> 지에 발표된 연구에서는 중성자성이 중성자로 이루어진 단단한 공이 아니라, 투시 팝과 같은 구조의 무거운 별일 수 있다는 이야기가 나왔다. , 단단한 중성자로 이루어진 껍데기 안에, 쿼크 물질이라는 특이한 물질로 이루어진 진득한 내부 물질이 있다는 것이다. 연구자들은 입자 충돌을 통해 쿼크 물질을 만들어냈다. 그러나 중성자성이 자연 상태에서 아원자 입자를 철저히 부술 능력이 있는지에 대해서는 긴 논쟁이 있었다. 만약 이 연구팀의 결론이 옳다면, 구속된 상태에서의 양성자와 중성자의 움직임에 대해 이해를 드높일 수 있을 것이다. 또한 다양한 금속이 지구에 오게 된 과정에 대해서도 더 잘 알 수 있을 것이다.

유럽 핵물리 연구기구(이하 CERN)의 입자물리학자이자 이번 연구의 공동저자인 알렉시 쿠르켈라는 중성자성 내부에 쿼크 물질이 있을지도 모른다는 단서를 얻었다. 매우 흥미롭다.”고 말한다.

항성의 가장 거친 형태인 중성자성을 이해하려면 물질에 대한 기존의 이론을 완전히 포기할 필요는 없다. 오히려 그 이론을 붕괴점까지 밀어부친다고 볼 수 있다. 낮은 물질 밀도에서의 저에너지 충돌 실험에서는 양성자와 중성자가 서로 부딪치면 마치 당구공들처럼 튕겨 나간다. 밀도가 1세제곱센티미터당 수억 톤이 될 때까지는 중성자는 마치 벽돌들처럼 자기들끼리 뭉친다.

참 기묘하게도, 물리학자들은 매우 높은 밀도에서 벌어지는 일도 알고 있다. 극고에너지 충돌 실험에서는 저에너지 실험 때보다 같은 면적에 비해 수백 배의 입자를 우겨넣는다. 이 때 양성자와 중성자는 분해된다. 그 속에 들어 있던 쿼크, 글루온 등의 입자들이 튀어나와, 쿼크 글루온 플라즈마라고 불리우는 수프 같은 물질이 되는 것이다. 쿼크 글루온 플라즈마는 이른바 쿼크 물질의 일종이다.

그러나 이렇게 밀도가 변화하는 와중에 일어나는 일은 아직 밝혀지지 않았다. 실험은 힘들고, 중성자가 녹지 않은 채 걸쭉해지면 수학적 도구도 통하지 않는다. 중성자성은 이러한 이론적 틈 속에 빠져 있다. 이 때문에 천체 물리학자들은 무려 수십 년의 시간을 들여 중성자성 핵 속 중성자들의 상태를 알고자 했다. 레고처럼 단단한가? 아니면 포도처럼 물러서 내부위 쿼크가 튀어나오고 있을까? 다만, 물리학자들이 친숙한 언어를 사용해 중성자성을 설명한다고 해도 그걸 있는 그대로 받아들여서는 안 된다. 가장 가볍고 차갑고 무른 중성자성이라도, 지구상에 존재하는 그 어떤 물질보다도 밀도가 높고 뜨겁고 단단하다.

쿠르켈라와 동료들은 이제까지 알려진 단서들을 연결하는 정보를 찾아냈다고 믿고 있다. 중성자성 연구의 최종 목적은 특정 밀도와 온도에서 물질이 변화하는 정도를 알아내는 것이다. , 중성자의 경도를 측정하는 것이다. 이 그룹은 50만 개 이상의 가능한 모델들을 검토하고, 다양한 관측을 통해 이들을 검증했다.

밀도가 높은 쪽의 경우, 천문학자들은 질량이 태양의 2배에 달하는 무거운 중성자성을 발견했다. , 이들 중성자성들은 그만한 중량을 지탱할 수 있는 경도가 있다는 것이다. 밀도가 낮은 쪽에서도 천문학자들은 질량이 태양의 1.5배 정도가 되는 밀도 낮은 두 중성자성이 합쳐질 때 나오는 중력파를 감지했다. 중력이 서로 가까워지는 항성을 부풀게, 또는 부풀지 않게 하는 과정을 관측한 물리학자들은 이 항성들의 크기와 무른 정도에 대해 더 많은 정보를 알 수 있었다. 또한 이 연구팀은 쿼크 및 글루온 이론으로부터 유도된 수학적 계산을 추가하여 중성자성 내부의 소리 속도를 알아내고자 했다. 중성자성 내부의 소리 속도는 항성의 경도를 측정하는 또 하나의 척도다.

가혹한 검증 절차가 끝나고 살아남은 모델들은 확답을 주었다. 작은 중성자성은 철저히 중성자들로 이루어져 있을 가능성이 높다. 그러나 알려진 것 중 가장 무거운 중성자성들, 즉 블랙홀로 변화할 가능성이 매우 높은 것들은 내부가 부드러울 가능성이 높다. 중성자가 쿼크에 길을 내 주고 있다는 명백한 증거다. 쿠르켈라는 쿼크 물질처럼 보인다면 쿼크 물질일 가능성이 높다.”고 말한다.

다른 물리학자들도 이 연구팀의 철저함을 찬양한다. 캘리포니아 주립 대학 풀러턴 캠퍼스의 중력파 연구자인 필립 랜드리는 이것은 모든 증거들을 한꺼번에 살펴서 쿼크 물질 핵의 존재를 분명히 주장한 최초의 논문이다. 우리 지식의 외연을 넓힐 뿐 아니라, 기존 이론의 타당성을 돌아보게 해 주었다.”고 말한다.

그러나 그는 이번 연구로 모든 의문이 해소되었다고 생각하지 않는다. 랜드리와 동료들은 최근 국제우주정거장에서의 중성자성 관측 내용까지 추가하여 비슷한 분석을 완료했다. 이들의 연구는 중성자성 내부의 소리 속도가 빠를수록 쿼크 물질 핵이 있을 가능성은 낮다는 가설을 뒷받침한다.

중성자성 관측이 많아질수록, 이러한 분석의 신뢰도도 올라갈 것이다. 그리고 중성자성 이론이 발전할수록 그 영향력은 더욱 커질 것이다. 지구상의 더욱 부드러운 물질에 대해서도 말이다.

금이나 백금 같은 원소들은 중성자성 충돌로 인해 생성되었을 가능성이 크다. 이 이론을 입증한 것은 2017년 중성자성 융합으로 인한 중력파 감지였다. 귀금속을 이루는 원소 대부분은 중성자성 충돌 시 생성되었을 가능성이 크다. 그 원소들의 쿼크들은 중성자성의 핵에서 나왔을 가능성이 있다. 그러나 이런 원소들 중 얼마가 충돌에서 나왔고 얼마가 다른 곳에서 나왔을지는 중성자성 핵의 밀도에 달려 있다는 것이 랜드리의 말이다

 By Charlie Wood

 

장순관 기자 bob0724@naver.com

 


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