1초에 707번 회전하는 밀집되고 붕괴된 별은 - 우리은하에서 가장 빠르게 회전하는 중성자별중 하나 - 동반성을 조각내어 거의 모든 질량을 흡수한 뒤, 그 과정에서, 현재 관측된 중성자별 중 가장 무거운 중성자별로 자라났다.

이 기록을 경신한 중성자별의 무게는 태양 질량의 2.35배이며, 천문학자들이 이러한 밀집성 내부의 이상한 물질의 양자 상태를 이해하는데 도움을 준다. 그 밀집성이 더 무거워진다면 완전히 붕괴해 블랙홀로 사라진다.

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“우리는 물질이 원자핵 밀도에서 어떻게 작용하는지 대략적으로 알고 있습니다.” Berkeley의 California 대학의 천문학 석좌 교수인 Alex Filippenko가 말했다. “중성자별은 하나의 거대한 원자핵과 같지만, 이 물질의 1.5 태양질량, 약 50만 지구 질량의 원자핵이 모두 달라붙어 있을 때, 그것들이 어떻게 행동할지는 명확하지 않죠.”

Stanford 대학의 천체물리학 교수인 Roger W. Romani는 중성자별이 매우 밀집되어 있어 - 1 세제곱 인치가 100억 톤이 넘는다 - 중심핵이 블랙홀을 제외하면 우주에서 가장 밀집된 물질이고, 블랙홀은 사건의 지평선 너머 숨어있기 때문에 연구하기 불가능하다고 지적했다. 따라서 펄사 PSR J0952-0607로 명명된 중성자별은 지구의 시야 안에서 가장 밀집된 천체이다. 

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중성자별의 질량을 측정하는 것은 하와이의 Maunakea에 위치한 10미터급 Keck I 망원경의 극도로 높은 민감도 덕분에 가능했다. Keck I 망원경은 뜨겁게 빛나는 동반성으로부터 나오는 가시광선 스펙트럼을 기록할 수 있었는데, 이 동반성은 지금은 거대한 가스 행성 크기로 축소되었다. 별들은 지구로부터 3,000 광년 정도 떨어져 있으며 육분의자리 방향에 위치한다.

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천문학자들은 거의 모든 질량을 보이지 않는 동반성에 빼앗긴 희미한 별(초록색 원)의 속도를 측정했다. 동반성은 중성자별이며 밀리초 펄사인데, 현재까지 발견된 펄사 중 가장 거대하고 아마 중성자별 질량의 상한선일 것이다. (사진 출처: W. M. Keck 관측소, Roger W. Romani, Alex Filippenko)

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2017년에 발견된 PSR J0952-0607은 “검은과부거미” 펄사로 불린다 - 암컷 검은과부거미가 짝짓기 이후 훨씬 작은 수컷을 잡아먹는 성향에 대한 비유다. Filippenko와 Romani는 검은과부거미 시스템을 십년 넘게 연구해 왔는데, 중성자별/펄사가 얼마나 크게 성장할 수 있는지에 대한 상한선을 입증하기를 희망했다. 

“이러한 측정을 다른 검은과부거미들과 결합함으로써, 우리는 중성자별이 최소 2.35 태양 질량 (± 0.17 태양 질량)에 도달해야 한다는 것을 보였다.” Stanford 대학 인문 과학부의 물리학 교수이자 Kavli 입자 천체물리학 및 우주론 연구소의 일원인 Romani의 말이다. “결국, 이는 원자핵에서 보이는 밀도의 몇 배에서 물질의 성질에 대한 가장 강력한 제약을 제공한다. 확실히, 다른 많은 인기있는 밀집된 물질의 물리학 모델이 이 결과에 의해 제외된다.

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연구자들이 말하기를, 2.35 태양 질량이 중성자별의 상한선에 가깝다면 내부는 마치 업 쿼크와 다운 쿼크(일반적인 양성자와 중성자의 구성 요소) 뿐만 아니라 중성자의 수프가 될 것 같다고 하며, “기묘” 쿼크나 기묘 쿼크를 포함한 입자인 케이온과 같은 ‘별난 물질’은 아닐 것이다.

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“중성자별의 높은 최대 질량은 중심부가 핵과 핵의 녹아버린 업 쿼크와 다운 쿼크의 혼합물임을 암시합니다.” Romani가 말했다. “이것은 많은 제안된 물질의 상태, 특히 별난 내부 구성의 물질 상태를 제외하죠.”

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Romani, Filippenk 그리고 Stanford 대학의 대학원생인 Dinesh Kandel이 연구팀의 결과를 설명하는 논문의 공동 저자이며 논문은 Astrophysical Journal Letters에 게재 승인되었다.

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얼마나 성장할 수 있을까?

https://www.youtube.com/watch?v=kgI3w4SOAik

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천문학자들은 1.4 태양 질량 정도보다 더 무거운 핵을 가진 별이 삶의 최종 순간에 붕괴할 때, 밀집되고 조밀한 천체를 형성하여 내부의 높은 압력으로 모든 전자가 으깨져 중성자와 소립자 구성물인 쿼크의 바다를 만든다는 사실에 대체로 동의한다. 이러한 중성자별은 회전하면서 태어나고, 가시광선에서 보이기에는 너무 어둡지만, 펄사로서 자신을 드러내고, 회전할 때 지구를 반짝이는 빛 - 전파, X선, 심지어 감마선 -을 방출하는데 마치 등대의 회전하는 빛과 비슷하다.

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“일반적인” 펄사는 회전하고 평균적으로 1초에 한번 반짝이는데, 이러한 속력은 붕괴하기 이전 별의 회전으로 쉽게 설명할 수 있다. 하지만 몇몇 펄사는 초당 수백번에서 1,000번 이상 회전하는데, 물질이 중성자별로 떨어져 회전하지 않더라도 설명하기 어려운 부분이다. 하지만 몇몇 밀리초 펄사는, 보이는 동반성이 없다.

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고립된 밀리초 펄사에 대한 한 가지 가능한 설명은 한 때 동반성을 가졌으나, 그걸 완전히 분해해버렸다는 것이다.

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“진화 단계는 매우 흥미롭습니다. 두 번의 감탄할 만한 지점이 있죠.” Filippenko가 말했다. “동반성이 진화하여 적색거성이 되기 시작하면서, 물질이 중성자별로 넘쳐 흐르게 되고 중성자별의 회전은 빨라집니다. 회전이 빨라지면서 중성자별은 극도로 활동적이게 되고, 입자의 바람이 중성자별로부터 빠져나오기 시작합니다. 이어서 입자의 바람은 물질을 제공하는 별에 충돌해 별의 물질을 뜯어내기 시작하고, 시간이 지나면 그 동반성의 질량은 행성 수준으로 감소하며, 심지어 더 많은 시간 후에는 전부 사라져 버립니다. 이것이 홀로 존재하는 밀리초 펄사가 형성된 과정이라 할 수 있죠. 밀리초 펄사는 시작부터 혼자인 것은 아니었으나 - 쌍성계의 하나였을 것입니다 - 동반성을 점점 사라지게 해 지금은 홀로 존재합니다.”

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펄사 PSR J0952-0607과 희미한 동반성이 밀리초 펄사에 대한 기원 이야기를 뒷받침한다.

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“이러한 행성 같은 천체들은 질량과 각운동량에 기여하는 일반적인 별의 찌꺼기이며, 펄사 동반성을 밀리초 주기로 회전시키고 질량을 증가시킵니다.” Romani가 말했다.

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“우주적 망은(忘恩)의 관점에서 보면, 동반성의 많은 부분을 먹어치운 검은과부거미 펄사는, 이제 동반성을 데우고 증발시켜 행성급의 질량으로 만든 뒤 아마 소멸시켜 버릴 것입니다.” Filippenko가 말했다.

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거미 펄사는 redback과 tidarren를 포함한다

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동반성이 작지만 발견하기 너무 작지 않은 검은과부거미 펄사를 찾는 것은 중성자별의 무게를 재는 몇 안되는 방법 중 하나다. 이러한 쌍성계의 경우, 동반성 - 현재는 목성 질량에 20배에 불과하다 - 은 중성자별의 질량으로 비틀어지고 조석 고정되는데, 우리의 달이 궤도에 고정되어 한쪽 면만 보이는 것과 비슷하다. 중성자별을 바라보는 면은 거의 6,200 K(화씨 10,700도)까지 가열되어 태양보다 약간 더 뜨거워지고 거대한 망원경으로 볼 수 있을 정도로 밝다.

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Filippenko와 Romani는 지난 4년 간 Keck I 망원경을 PSR J0952-0607로 여섯 번 돌렸고, 매번 Low Resolution Imaging Spectrometer로 15분 단위로 관측해 펄사의 6.4시간 궤도의 특정한 지점에서 희미한 동반성을 발견했다. 태양 같은 별들과 비슷한 스펙트럼을 비교함으로써, 그들은 동반성의 궤도 속도를 측정하고 중성자별의 질량을 계산할 수 있었다.

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Filippenko와 Romani는 지금까지 열두 개 정도의 검은과부거미 쌍성계를 조사해 왔고, 오직 여섯 개의 동반성만이 질량을 계산할 수 있을 정도록 밝았다. 모두 펄사 PSR J0952-060보다 질량이 가벼운 중성자별을 포함하고 있었다. 연구자들은 검은과부거미 펄사의 사촌들 뿐만 아니라 더 많은 검은과부거미 펄사 연구를 희망한다. 태양 질량의 10분의 1에 가까운 동반성을 가진 검은과부거미 펄사를 호주에서 부르는 이름인 ‘붉은 등껍질(redback)’, 그리고 Romani가 별명을 붙인 동반성이 태양 질량의 약 100분의 1인 ‘조석류(tidarren)’ - 검은과부거미의 동족들이다. 수컷 Tidarren sisyphoides의 크기는 암컷의 1%에 불과하다.

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“우리는 블랙홀 끝에 매우 가까이 접근해 스케이트를 타는 검은과부거미와 비슷한 중성자별을 계속 찾을 수 있습니다. 하지만 우리가 아무것도 찾지 못한다면, 이것은 2.3 태양 질량이 진정한 한계이며, 그 한계를 넘어 블랙홀이 된다는 주장을 더욱 강하게 할 것입니다.” Filippenko의 말이다.

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“이것은 Keck 망원경이 할 수 있는 바로 그 한계입니다. 따라서 환상적인 관측 조건 없이 PSR J0952-0607의 측정을 강화하는 것이 30미터 망원경 시대를 기다리고 있습니다.” Romani가 덧붙였다.

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출처: https://www.technology.org/2022/07/31/heaviest-neutron-star-to-date-is-a-black-widow-eating-its-mate/

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