중성자별

항성 및 갈색왜성
주계열성
이후 단계		극대거성 (0)청색극대거성황색극대거성적색극대거성
초거성 (I)청색초거성황색초거성적색초거성
밝은 거성 (II)
거성 (III)청색거성황색거성적색거성
준거성 (IV)
주계열성 (V)청색
(O)		청백색
(B)		백색
(A)		황백색
(F)		황색
(G)		주황색
(K)		적색
(M)
준왜성 (VI)
주계열성
이후 단계		적색왜성의
진화		청색왜성
항성의 탄생 과정원시별전주계열성
잔해밀집성블랙홀중성자별
(펄서 / 마그네타)		백색왜성 (D)흑색왜성
초신성 및 성운초신성초신성 잔해행성상 성운
갈색왜성 / 준갈색왜성*(L)형(T)형(Y)형
기타볼프-레이에 별(W)
특이별탄소별 (C)지르코늄 별 (S)
괄호 안의 로마자 기호는 분광형*: 항성이 아님

1 개요

중성자별의 구조


출처는 Kurzgesagt.(한글 자막)

중성자별(中性子-, neutron star)은 초신성 폭발 후 남은 별의 핵이 중력붕괴를 통해 축퇴(Degenerate)되어 원자 내부의 핵과 전자가 합쳐지면서 중성자로 변하면서 만들어지는 별.

2 특징

2.1 크고 아름다운 질량

지름이 고작 16km 정도이며, 거대한(?) 중성자별조차도 32km(반지름은 16km)를 넘지 못한다. 그럼에도 불구하고 질량은 태양의 1.35배에서 2.1배에 달하므로, 밀도가 천문학적으로 높다. 중성자별은 질량이 높아질수록 그 무게를 견디지 못하고 점점 작아지며 어느 값의 이상이 되면[1] 기본입자로 이루어진 최대로 붕괴해서 블랙홀이 되어 버린다. 그래서 중성자별은 그 크기(=질량)가 아주 한정된 범위에서만 존재한다.

중성자별이 작은 크기에도 불구하고 엄청난 질량을 가지고 있는 것은 엄청난 중력에 의해 원자를 구성하는 전자들이 다 양성자와 강제로 퓨전된 상태이기 때문이다. 원자의 구조를 보면 잠실 종합 운동장만한 크기의 한 가운데 10원짜리 동전만한 크기의 양성자와 중성자가 붙어 있고 비비탄 같은 전자가 운동장 외곽을 돌아다니고 있다. 그런데 원자인 종합 운동장이 붕괴되어 이 동전들이 운동장 안에 가득 차서 빼곡히 밀집한 상태가 되다보니 부피에 비해 어마어마한 질량을 가지게 되는 것. 원자핵과 거의 같은 밀도를 가지고 있으며, 대략 중성자별 1㎤ 부피의 질량이 약 1억 톤, 다르게 표현하자면 각설탕 한개 부피에 한 변이 234m인 정육면체 철만큼의 질량이 있다는 것이다![2] 다닥다닥 붙어 있으므로 별 전체가 하나의 중성자 덩어리이자 하나의 원자핵인 셈이다.

탈출 속도는 초속 15만 km로서, 블랙홀과는 달리 아직 빛은 나올 수 있다. 그래도 중력이 어찌나 강한지 볼펜 하나를 중성자별 지표 1미터 위에서 낙하시키기만 해도 1마이크로초만에 지표에 닿으며, 충돌시 TNT 환산 1톤의 폭발력을 낸다고 한다.[3]

2.2 빛의 속도로 회전하라


1분 39초부터는 귀 테러 수준이다

방향에 따라 랜덤한 세기의 복사를 하며, 무지무지하게 빨리 자전한다. 이는 원래 별의 각운동량이 유지되기 때문이다. 팔다리를 쭉 뻗고 우아하게 회전하던 김연아가 팔다리를 오므리면 회전속도가 빨라지는 것과 같은 원리. 이를 우주구급으로 확장시켜 생각해 보면 된다 아무리 늦어도 30초에 한 번은 자전하는데 사실 이것도 엄청나게 느린 것이고, 대부분의 중성자별은 1초에 한 바퀴 이상 돈다. 2007년에는 1초에 716회 자전하는 중성자별이 발견되기도 했다.[4] 중성자별이 십수 km 정도의 구체라는 것을 기억하자.[5]

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내셔널 지오그래픽에서 묘사한 중성자별.

덕분에 중성자별의 방사선은 회전축 방향인 남극과 북극 방향으로 창살같이 모여서 날아가는 것을 볼 수 있다. 안 그래도 방사선이 강한 별인데 설상가상. 또한, 중성자별은 그냥 농구공처럼 빙그르르 돌아가는 게 아니라 원래 별의 각운동량 때문에 기울어진 상태로 빙글빙글 돌아간다. 자기장축이 기울어진 지구가 수직 자전축으로 빙빙 돌아서 자기장축이 원뿔 모양을 이룬다고 생각하면 된다.(또는 쓰러지기 직전의 팽이) 덕분에 자기장의 남극과 북극에서 뿜어져 나오는 방사선이 리듬체조 선수들의 빙그르르 돌아가는 리본모양처럼 우주로 뿜어지게 된다. 그리고 이 남극과 북극의 연장선상에 지구가 있을 경우 방사선 신호의 강약으로 중성자별을 관측할 수 있게 되는 것이다.

이런 이유 때문에 관측하는 입장에서는 매우 규칙적인 패턴으로 깜빡거리는 것처럼 보인다. 실제로 처음 발견되었을 당시 외계인의 신호인 줄 알고 난리가 난 적이 있다. 이것이 펄서. 한 때는 중성자 별의 펄사로 시간의 기준을 정할 수 있다고도 여겨졌지만 중성자별도 계속 회전하면서 잃는 각운동량이 있기 때문에 시간이 갈수록 자전속도가 느려진다고 한다. 그 대신 부각된 용도는 '우주의 등대'. 수천년 동안은 거의 일정한 속도로 깜빡거리므로 우주에서 항해할 때 유용할 것이라는 전망이다.[6]

2.3 내부 구조

중성자 별의 내부를 수학적으로 추측한 연구결과이다.

껍질은 원자로 이루어져 있으나 원자핵과 전자가 분리된 이온 상태이다. 특히 철원자가 대부분일 것으로 추정되는데, 그나마 철원자가 전자를 묶는 힘이 가장 강하기 때문. 만약 표면온도가 100만K 이상이라면 이온이 흐르는 액체 상태이겠지만 그보다 낮은 식은 중성자 별이라면 고체 지각이 형성될 것이라고 한다.

대기는 고작 몇분의 1mm로 이루어진 극히 얇은 공간이며, 여기에는 강력한 자기장이 형성되어 있다고 한다. 그 아래의 첫번째 지각은 엄청나게 단단하고 매우 평탄하다. 지구 표면이 에베레스트 산부터 마리아나 해구까지 수 km의 기복이 있다면 중성자별은 기껏해야 5mm. 내부 지각은 원자핵과 전자가 중성자로 합해지기 직전인 바글거리는 비벼진 소스 상태다. 지각의 전체 두께는 기껏해야 2km 정도.

중성자 별의 지각은 코어핵과 인접한 지점에서 큰 조성 변화가 발생하는데, 원자핵이 전자와 합쳐져서 모두 다 중성자화 되어버린다.[7] 대략 2~11km 정도의 지점이 외부핵이며, 안으로 들어갈 수록 원자핵+전자의 비율보다 중성자의 비율이 증가한다. 또한, 중력의 힘이 극도로 강해지기 때문에 원자핵이 점점 작아지다 내핵에 이르면 짜부러져서 중성자만 남게 된다.

오직 중성자만으로 구성된 내핵의 반지름은 0~3km 가량이다. 이 지점에 이르면 중력이 블랙홀과 종이 한장 정도의 차이만 남겨둘 정도로 강하기 때문에 중성자도 짜부러진 쿼크 같은 물질의 기본을 구성하는 미립자도 존재할 것으로 보인다. 물론 블랙홀은 쿼크들 마저도 짜부러진 세계지만 중성자 별은 그 직전의 단계에서 머무른다.

일부 이론에 따르면 질량이 큰 중성자별의 경우, 내핵은 기묘체라는 물질로 되어있을거라는 추측이 있다.

3 종류

3.1 펄서(Pulsar)

주기적으로 펄스상(狀) 전파를 내보내는 전파천체. 눈으로는 볼 수 없으나 전파망원경으로 관측가능하다. 이때 방출되는 전자기파는 일정한 주기(1.4 ms에서 8.5s)를 가지고 관측된다. 처음에는 이런 일정한 펄스로 인해 외계인의 신호로 여겨 Little Green Man(LGM)이라는 이름으로 불렸다. 강력한 X선이나 감마선을 방출하기 때문에 이 파장영역으로 보았을 때 매우 밝게 빛나는 것을 볼 수 있다. 지금까지 약 300여개가 알려져 있으며, 대부분 은하계 내의 천체로 태양에서부터 거리가 어마어마 하게 멀다. 에너지의 종류에 따라 자전 에너지 펄서, 강착 에너지 펄서, 마그네타 3종류로 구분된다.

3.2 마그네타(Magnetar)

태양만큼의 중원소 함량을 가지고 있다면 질량이 28배 이상의 정도의 별이 초신성이 되면 일반적으로 블랙홀이 생성되지만, 중원소 함량이 아주 높다면 별의 블랙홀이 될 수 있는 상한선은 높아진다. 따라서 초신성 폭발시에 모든 질량을 날리지만 일부 남은 질량을 빨아들이면서 자전속도도 엄청나게 빨라지고 무거워져 마그네타가 될 수 있다. 보통 태양 질량의 30배 이상에 중원소 함량이 태양의 1.05배가 넘어가는 별들에게 나타난다. 참고로 태양 중원소 함량의 1.1765배를 넘는 별은 질량이 아무리 커도 중성자별이 된다. 바로 이러한 점 때문에 태양의 30배 이상에 중원소가 풍부한 별이 중성자별로 된다.(자세한 내용은 항성 참고) 중성자별이 된 탓에 그 질량과 크기도 다른 중성자별보다 커서, 지름이 20km 정도라고 한다. 질량은 상당해서 궁수자리에 있는 SGR 1806-20이라는 이름의 마그네타는 태양 질량의 2.1배에 달한다고 한다. 이 별이 초신성 폭발을 하기 직전의 질량을 추적해 봤는데 대략 태양 질량의 12.3배의 질량이 나왔다. 초기 질량은 태양의 50배에 달했을 것인데 중원소 함량이 태양 중원소 함량의 1.1765배를 넘게 되어 마그네타 중성자별이 되었다.
궁수자리 은하계 중심부는 중원소 함량이 적은 부분도 많지만 그래도 별이 많이 탄생되었던 지점이라 은하 다른 어떤곳보다도 중원소 함량이 풍부한 곳이 많다. 따라서 SGR 1806-20도 항성 시절에 중원소 함량이 태양보다 높은 종족 I의 별이었다는 것을 알 수 있다.(은하 중심부는 워낙 가스가 많이 있어서 일부는 아직도 중원소 함량이 낮은 종족 II의 별이 태어나는 부분도 있다. 하지만 전체적인 평균으로 따지면 은하 중심부는 은하의 다른 어떤곳보다 중원소가 풍부하다. 은하 중심부의 별들의 중원소 함량을 살펴보면 태양 중원소의 30~150%의 별들이 분포해 있다. 심지어 태양의 2~3.5배나 많은 중원소를 가진 별들도 발견되고 있다) 여기서 중원소라는 것은 탄소 이상의 무거운 금속들을 말하는 것이다. 종족1에 속한 별은 태양처럼, 금속이 많고 젊은 별들을 말한다.

마그네타는 10기가테슬라의 자기장을 갖고 있다. 이것은 우주에서 가장 강력한 수준이며, 지구 자기장의 1000만 배이다. 쉽게 설명하자면, 그 힘은 1000km 거리에 위치한 인간을 갈기갈기 찢어놓을 정도다. 중력이 아니라 순수하게 자기력만으로! 사람은 쇳덩어리가 아니라는 것을 고려해보자...

이것은 물의 반자기성에 의한 것이다. 생체가 마그네타 주변에 있다면 강한 중력 때문에 마그네타 쪽으로 끌려가게 될 것이다. 그런데, 생체 세포의 대부분을 차지하는 물은 반자기성이라 자기장이 강한 물체에서 멀어지려 한다. 즉 세포의 껍데기는 마그네타 쪽으로 끌려가려 하고, 내용물은 반대쪽으로 밀려나려 한다. 물론 각각에 대해 작용하는 힘(중력, 자기력)은 엄청나게 강하다. 간단히 말해 피와 살이 분리된다. 지구의 자기장이 약한 데 감사하자 근데 이 1000km가 천문학으로치면 좀 작은게, 중성자별이 겁나 작아서 그렇지 1000km면 한반도의 대각선 길이와 비슷하다. 그래도 충분히 위험하다 어차피 그 정도 거리까지 다가가기 한참 전에 각종 방사선에 노출되어 죽을 것이다.

마그네타의 자기장이 가진 에너지 밀도는 1세제곱미터당 4.0×1025J에 달하며, 어지간한 물질보다도 훨씬 밀도가 높다.[8] 이런 과도한 자기장은 마그네타의 지각에 영향을 미쳐서 가끔 성진을 일으키는데, 이 성진[9]은 1~2초간 지속되는 감마선 폭발로 관측된다. 초신성 항목에도 언급되는 내용이지만, 감마선 폭발은 우주에서 가장 센 폭발이다.

마그네타는 너무나 강력한 자기장을 가지며, 막대한 양의 X선을 방출하지만 그 활동은 10000년 정도에 불과하다. 그 이후에는 자기장이 사라지고 활동을 멈추며, 우리 은하에 중성자별은 대략 3억개로 예상되며, 이런 마그네타는 우리 은하에만 수천만 개가 있을 것으로 여겨진다. 마그네타는 또한 중원소 함량이 풍부한 은하 중심부에 많이 발견된다.

미래에 중원소 함량이 더 풍부해지면 중원소 함량이 태양의 1.1765배만 넘어도 질량에 상관없이 중성자별로 되므로 미래에 질량이 큰 별들은 마그네타를 형성하게 된다고 봐도 된다.

4 위력

블랙홀보다는 덜하지만 백색왜성이나 중성자별도 만만치 않다. 마그네타 같은 특수한 경우는 말할 필요도 없고, 다른 것들도 방사선과 X선이 신나게 난무하는데다가 중력도 막강한 편. 중성자별은 중력이 지구의 1,000억배를 넘어가는 헬게이트다.

중성자별의 지각은 강철의 100억 배 강도를 지녔다는 연구 결과가 나왔다.

5 중성자별의 최후

  • 중성자별이 주위의 물질을 지나치게 빨아들여 한계를 넘을 경우 중력붕괴를 일으켜 블랙홀이 된다.
  • 블랙홀에 빨려들 경우 붕괴되어 소멸(또는 특이점의 질량의 일부로 흡수)한다.
  • 중성자별 두 개가 서로 접근할 경우, 두 중성자별은 서로의 중력에 사로잡혀 공전하다가 점점 거리를 좁히게 되며, 마지막에는 빛에 가까운 속도로 회전하다가 서로 충돌하게 되는데, 이 과정에서 무거운 원소들을 포함해 금이 대량으로 생성된다고 한다! 이것은 초신성 항목에도 나온 감마 레이 버스트의 원인 중 하나라고 하며, 이후 두 별은 붕괴되어 블랙홀이 된다. 내 금!! 으아앙아아아아아아ㅏㅇ아아

결론은 블랙홀

6 기타

  • 영국 락밴드 Muse에는 『Neutron Star Collision』, 즉 중성자별 충돌이라는 제목의 노래가 있다. 중성자별을 충돌시키는 실험영상을 보고 감명받아서 만들었다는 듯.
  • 중성자 별을 처음 발견한 사람은 영국의 여류 천문학자 조셀린 벨이며, 당시 대학원생이었다. 후에 이 발견은 최초의 천문학 주제의 노벨상이 되는데 발견과 연구를 모두 담당한 조셀린 벨은 받지 못하고 담당교수였던 앤서니 휴이시만이 수상하게 된다. 의외로 그 덕에 조셀린 벨은 더 유명해지긴 했다.

7 창작물에서의 취급

블랙홀에 밀려 콩라인급인 듯하다. 백색왜성, 흑색왜성보다는 낫지 뭐

  • 아스트라나간의 인피니티 실린더는 10개의 중성자별을 사용하는 기술이다.
  • EVE 온라인의 웜홀 우주에서 항성계에 중성자 별의 일종인 펄사와 마그네타가 존재하고, 함선의 각종 수치를 조작하는 환경 변수로 작용한다. 특히 마그네타가 지녔던 전자전 효과 보너스를 이용하여 함포의 사거리를 무한대, 명중률을 100%로 고정시키는 버그가 발생하여 대단한 스캔들을 불러왔다. 관련 영상이 걸작이다.
  • 스타크래프트 2: 공허의 유산의 프리퀄 단편소설 '불로 끝나리라'에 보면 중성자별의 중력에 의해 모선 하나가 빨려들어가고 이를 구하던 모선마저 빨려들어가 수천명의 사상자가 발생하는 일이 현 기점으로 천년정도 전[10]에 발생하는데 이에 로하나와 두 명의 대계승자는 대의회의 후원과 많은 기사단의 자원에 힘입어 자신 종족이 멸망의 위기를 맞을 때를 대비해 일종의 '노아의 방주'를 세 척을 만든다. 이중 두 척은 저그의 아이어 침공 때 파괴되고 단 한 척만이 공허의 유산 시점까지 보존되어 아르타니스에 의해 가동된다. 이 함선이 바로 아둔의 창. 그런데 공허의 유산에서 아둔의 창이 끼친 영향을 생각해 보면 건조에 원초적인 원인을 만든 중성자별은 본의 아니게 아몬의 계획에 결정타를 가해 전 우주를 구했다.

우주 SF물에서는 중성자별의 외피를 이루는 물질을 뉴트로늄(Neutronium)이라 칭한다. 인류의 통상적인 무기로 뚫을 수 없는 최강의 장갑을 만드는 데 사용한다. 질량이 엄청날 텐데 어떻게 끌고 다니지

8 나무위키에 등록된 중성자별

  1. ↑ 중성자 축퇴압으로도 자체 중력으로 인한 수축을 막아낼 수 없을 경우.
  2. ↑ 중성자의 밀도는 2.897986816995×10^17㎏/㎥, 즉 1㎤당 약 3억 톤이다. 그렇지만, 중성자별은 대개 고속으로 회전하고 있기 때문에 중성자별의 밀도가 중성자 자체의 밀도와 일치하지는 않는다.
  3. ↑ 중성자별의 질량을 태양의 1.6배로 가정하고 높이는 1m, 볼펜의 무게를 5g으로 잡고 계산하면 약 4.2 GJ(기가줄)이 나오는데 TNT 환산 1톤의 폭발력은 4.18 GJ이다.
  4. ↑ 참고로 태양의 자전주기는 약 27일이다. 단순 비교해보면 무려 약 26억배나 빠르다.
  5. ↑ 일반적인 천체의 경우 그 모습을 유지하면서 이런 무식한 속도로 회전할 수가 없다. 이게 가능하려면 회전 운동에 의해 표면에 가해지는 원심력을 자체 중력이 이겨낼 수 있어야 한다.
  6. ↑ 파이어니어 호에 실린 동판에 이 원리를 이용해서 지구의 위치를 기록해두었다. 지구 근처의 펄서 14개의 방위, 거리, 주기와 지구로부터 은하계 중심까지의 방위 및 거리를 그림으로 나타내어서 이를 통해 태양계의 위치를 역산할 수 있게 한 것. 14개나 넣은 것은 외계인 관측자가 득템발견한 위치에 따라서 일부 펄사는 각도가 영 좋지 않아서 안 보일 수도 있기 때문이다. 헌데 파이어니어의 속도나 우주의 밀도를 감안하면 조에 하나만에 하나 외계지성체가 이걸 발견한다 해도 지금으로부터 수십, 혹은 수백만년 뒤의 일일텐데 그때쯤 가면 펄사들의 위치도 지금과는 완전히 다를 테니 외계지적 생명체는 해독하느라 골이 좀 빠개질 것이다. 셀프 외계인 고문
  7. ↑ 점차 중성자가 비정상적으로 많은 원자핵으로 바뀌기 시작하고, 어느 시점에서는 중성자가 원자핵에서 빠져나와 자유중성자가 된다고 한다. 이 상태의 물질에 붙인 이름이 뉴트로늄. 축퇴물질이라고 하면 이해가 쉬울 듯.
  8. ↑ E=mc2을 이용하면 1세제곱미터당 질량은 약 5×108kg. 납의 밀도가 약 104kg/m3이므로 50000배다.
  9. ↑ 참고로 마그네타의 성진의 리히터 규모는 대략 32로 추정된다. 이 정도 지진이 지구에서 일어나면 그냥 지구 지각과 맨틀이 아작나는거다.
  10. ↑ 시간대는 약 1200년~1400년 즈음으로 알려졌다. 아둔의 희생 겸 암흑기사단 추방이 1500년경, 이는 천년 전 정도의 이야기이니 2500년 대의 이야기와 스토리에 등장하는 아둔을 생각하면 그 정도 시간대로 추정하는 게 맞다.