우주에서 가장 작은 거인, 상상을 초월하는 밀도의 세계
별은 죽는다.
하지만 모든 별이 같은 마지막을 맞이하는 것은 아니다.
태양처럼 비교적 작은 별은 조용히 식어 백색왜성이 된다.
매우 거대한 별은 블랙홀로 붕괴한다.
그렇다면 그 중간 크기의 별은 어떻게 될까?
놀랍게도 그들은 우주에서 가장 이상한 천체 가운데 하나가 된다.
중성자별(Neutron Star).
겉보기에는 도시 하나만 한 작은 공처럼 보인다.
하지만 그 안에는 태양보다 많은 질량이 들어 있다.
만약 중성자별에서 각설탕 한 조각만큼의 물질을 가져올 수 있다면, 그 무게는 수억 톤에서 10억 톤 이상에 이를 것으로 추정된다.
이는 에베레스트산의 질량보다도 훨씬 작지만, 인간의 상식을 완전히 뛰어넘는 무게다.
도대체 어떻게 이런 천체가 존재할 수 있을까?
오늘은 우주에서 가장 극단적인 밀도의 세계를 함께 탐험해 보자.
별은 어떻게 죽을까
별은 거대한 핵융합 공장이다.
중심에서는 수소가 헬륨으로 변한다.
이 과정에서 엄청난 에너지가 만들어진다.
그 에너지는 별을 바깥으로 밀어낸다.
반대로 중력은 별을 안쪽으로 끌어당긴다.
별은 이 두 힘이 균형을 이루며 살아간다.
하지만 언젠가는 연료가 바닥난다.
핵융합이 멈추면 바깥으로 밀어내는 힘도 사라진다.
이제 남는 것은 중력뿐이다.
별은 순식간에 자신의 무게를 견디지 못하고 붕괴하기 시작한다.
초신성, 우주의 거대한 폭발
붕괴가 시작되면 중심부는 엄청난 속도로 압축된다.
바깥층은 반동으로 거대한 폭발을 일으킨다.
이것이 초신성(Supernova)이다.
초신성은 한동안 은하 전체보다 밝게 빛날 수도 있다.
우리가 몸속에 가지고 있는 철,
칼슘,
금,
요오드 같은 원소들도 이런 폭발 속에서 만들어져 우주로 흩어진다.
다시 말해,
우리 몸은 오래전 폭발한 별의 잔해로 이루어져 있다.
우리는 문자 그대로 별의 후손인 셈이다.
원자는 어떻게 무너질까
별이 계속 압축되면 놀라운 일이 일어난다.
원자를 이루는 전자는 더 이상 버틸 수 없다.
엄청난 압력 때문에 전자가 원자핵 속으로 밀려 들어간다.
그 안에서 전자는 양성자와 결합한다.
그리고 새로운 입자가 만들어진다.
바로 중성자다.
양성자 + 전자 → 중성자.
이 과정은 매우 짧은 시간 안에 일어난다.
결국 별 전체가 거의 중성자로만 이루어진 거대한 덩어리가 된다.
그래서 이름도 중성자별이다.
믿기 어려운 크기
중성자별의 크기는 놀라울 정도로 작다.
지름은 약 20km 안팎.
자동차로 20~30분 정도 달리면 가로지를 수 있는 거리다.
하지만 그 안에는
태양의 약 1.4배에서 2배 정도의 질량이 들어 있다.
태양의 지름은 약 139만 km.
그 거대한 질량이 도시 하나 크기로 압축된 것이다.
이 정도 밀도는
일상에서는 상상조차 할 수 없다.
각설탕 하나의 무게
중성자별의 밀도를 설명할 때 자주 등장하는 비유가 있다.
각설탕 한 조각 정도의 부피.
만약 그만한 중성자별 물질을 지구로 가져올 수 있다면,
무게는 수억 톤에서 10억 톤 이상이 될 수 있다.
거대한 산 하나와 맞먹는 수준이다.
물론 현실에서는 불가능하다.
중성자별 물질은 지구 환경에서 안정적으로 유지될 수 없기 때문이다.
하지만 이 비유는
중성자별이 얼마나 극단적으로 압축되어 있는지를 잘 보여준다.
중성자별의 중력
중성자별 표면의 중력은 지구와 비교가 되지 않는다.
만약 지구에서 몸무게가 70kg이라면,
중성자별에서는 단순히 '몸무게'를 계산하는 것 자체가 큰 의미를 잃을 정도의 극한 환경이다.
표면에 떨어진 물체는 거의 빛의 속도에 가까운 속도로 충돌할 수 있으며,
몇 센티미터만 뛰어도 엄청난 에너지가 필요하다.
실제로 인간은 중성자별 표면에 접근하기도 전에 강력한 중력과 방사선 때문에 살아남을 수 없다.
중성자별은 얼마나 빨리 돌까
중성자별은 매우 빠르게 자전한다.
그 이유는 각운동량 보존 법칙 때문이다.
피겨스케이터가 팔을 모으면 더 빨리 회전하는 모습을 떠올려 보자.
별도 마찬가지다.
거대한 별이 작은 공으로 압축되면
회전 속도는 엄청나게 빨라진다.
어떤 중성자별은
1초에 한 바퀴.
10바퀴.
100바퀴.
심지어 700바퀴 이상 회전하기도 한다.
이는 적도 부근이 거의 빛의 속도에 가까운 속도로 움직인다는 뜻이다.
우주에서도 손꼽히는 초고속 회전이다.
우주의 등대, 펄서
1967년.
영국의 대학원생 조슬린 벨 버넬은 이상한 전파 신호를 발견했다.
신호는 너무 규칙적이었다.
1초.
또 1초.
다시 1초.
마치 누군가 인공적으로 보내는 신호 같았다.
연구팀은 농담 삼아 이 신호를
LGM(Little Green Men),
즉 "작은 초록 외계인"이라고 부르기도 했다.
하지만 곧 진실이 밝혀졌다.
회전하는 중성자별이었다.
중성자별은 강력한 자기장을 가지고 있다.
양쪽 극에서 전파와 X선을 방출한다.
회전하면서 그 빛이 지구를 스쳐 지나가면
마치 등대 불빛처럼 규칙적으로 깜빡인다.
이 천체를 펄서(Pulsar)라고 한다.
현재까지 수천 개의 펄서가 발견되었으며,
일부는 원자시계에 맞먹을 정도로 일정한 주기를 유지한다.
우주에서 가장 강한 자석, 마그네타
모든 중성자별이 같은 것은 아니다.
특히 자기장이 매우 강한 중성자별을
마그네타(Magnetar)라고 부른다.
마그네타의 자기장은
지구 자기장보다 수조 배에서 수천조 배 이상 강할 수 있다.
이 정도면
수천 km 떨어진 곳에서도 전자 장비에 영향을 줄 정도로 상상하기 어려운 수준이다.
실제로 마그네타는 강력한 X선과 감마선을 방출하며,
때때로 거대한 폭발을 일으킨다.
2004년 관측된 한 마그네타의 폭발은
지구 전리층에 영향을 줄 정도로 강력했다.
다행히 약 5만 광년 떨어져 있었기 때문에
큰 피해는 없었다.
중성자별끼리 충돌하면
중성자별 두 개가 서로 공전하다가 충돌하면
우주에서 가장 극적인 사건 가운데 하나가 일어난다.
엄청난 중력파가 발생한다.
강력한 감마선 폭발도 일어난다.
그리고 놀라운 일이 하나 더 있다.
바로 금과 백금 같은 무거운 원소가 만들어진다.
오랫동안 과학자들은
금이 어디에서 만들어지는지 정확히 알지 못했다.
현재는 중성자별 충돌이
우주의 금 생산에 매우 중요한 역할을 한다는 사실이 강하게 지지되고 있다.
지구의 금반지와 목걸이도
수십억 년 전 중성자별 충돌의 흔적일 가능성이 있다.
블랙홀과 무엇이 다를까
중성자별과 블랙홀은 자주 비교된다.
둘 다 별의 죽음에서 탄생한다.
둘 다 엄청난 중력을 가진다.
하지만 결정적인 차이가 있다.
중성자별은 표면이 있다.
실제로 물질이 떨어져 부딪힐 수 있다.
반면 블랙홀은 사건의 지평선 안으로 들어가면 다시 나올 수 없다.
또 하나의 차이는 질량이다.
중성자별은 일정 질량 이상 커질 수 없다.
보통 태양 질량의 약 2~3배 정도를 넘으면,
중성자도 더 이상 압력을 버티지 못한다.
그 순간 중성자별은 결국 블랙홀로 붕괴한다.
즉,
중성자별은
블랙홀이 되기 직전의 마지막 단계라고 볼 수 있다.
중성자별 내부에는 무엇이 있을까
가장 흥미로운 질문은 아직 답이 없다.
중성자별 중심에는 무엇이 있을까?
겉은 대부분 중성자로 이루어져 있다.
하지만 중심부는 너무 압력이 높다.
일부 과학자는
중성자가 다시 분해되어
쿼크가 자유롭게 움직이는 쿼크 물질이 존재할 가능성을 연구하고 있다.
또 다른 연구에서는
아직 발견되지 않은 새로운 상태의 물질이 있을 수도 있다고 본다.
현재의 기술로는
중성자별 내부를 직접 볼 수 없다.
우리는 계산과 관측을 통해 추론할 뿐이다.
작은 천체가 들려주는 거대한 이야기
중성자별은 크기로만 보면 작다.
도시 하나 정도에 불과하다.
하지만 그 안에는
우주의 극한 물리학이 담겨 있다.
원자가 붕괴하고,
중성자가 별을 떠받치며,
빛보다 조금 느린 속도로 회전하고,
상상을 초월하는 자기장을 만들어 낸다.
중성자별은 우주가 얼마나 극단적인 환경을 만들 수 있는지를 보여 주는 살아 있는 실험실이다.
그리고 그 연구는 원자핵 물리학, 상대성이론, 중력파 천문학을 하나로 연결하는 중요한 열쇠가 되고 있다.
별은 죽어서도 우주를 만든다
우리는 흔히 별의 죽음을 끝이라고 생각한다.
하지만 우주에서는 끝이 곧 새로운 시작이다.
초신성은 새로운 원소를 만든다.
중성자별은 금과 백금의 탄생을 돕는다.
블랙홀은 은하의 진화를 이끈다.
별은 죽은 뒤에도
새로운 별과 행성,
그리고 생명의 재료를 남긴다.
우리 몸속의 칼슘은 오래전 폭발한 별에서 만들어졌고,
손가락의 금반지는 중성자별 충돌에서 탄생했을 가능성이 크다.
우리는 별을 바라보며 살아간다고 생각하지만,
사실은 별이 남긴 조각들로 이루어진 존재다.
우주는 거대한 순환 속에서 끊임없이 스스로를 다시 만들어 간다.
그리고 중성자별은 그 순환이 얼마나 놀랍고 아름다운지를 가장 극적으로 보여 주는 천체 가운데 하나다.