중성자별은 무엇이며 어떻게 만들어질까?

초신성 폭발 후에 남은 잔해들의 핵이 중력붕괴로 인해 내부의 핵과 전자가 합쳐져 중성자로 변하여 생성되는 별을 중성자별이라고 한다. 그럼 중성자별과 블랙홀은 어떤 차이가 있을까. 둘 다 초신성 폭발과 관련이 있는데 태양같은 작은 크기의 별이 최후를 맞을 때는 백색왜성이 되지만 적어도 질량이 태양보다 2배 이상 큰 거성들은 초신성 폭발을 일으키면 중성자별이나 블랙홀로 변한다. 근데 이 둘은 한 끝 차이로 운명이 달라진다. 죽어가면서 수축, 압축되는 초신성의 반경이 슈바르츠실트 반경을 넘느냐 아니냐의 여부에 따라 운명이 갈라진다. 

슈바르츠실트 반경은 사건의 지평선의 반경과 같은데 이는 어떤 물체가 최대한 압축될 수 있는 한계, 마지노선을 말한다. 그 한계선 보다 아주 먼 곳에서 수축이 끝나면 백색왜성이 되고, 그 선에 바싹 근접한 상태에서 수축이 끝나면 중성자 별이 되고, 한계선을 넘어 끝없이 수축하면 특이점에 도달하여 블랙홀이 된다. 그러니까 초신성 폭발을 일으키는 거성의 크기에 따라 큰 순으로 백색왜성, 중성자별, 블랙홀이 된다는 얘기다. 지구의 사건의 지평선은 십원짜리 동전 크기만하다 하니 신성폭발할 때 거성이 어느정도 수축되는지 아찔하다. 지구가 십원짜리 동전보다 작게 수축해야 블랙홀이 된다는 것이다. 

그리고 중성자별의 내핵은 우주에서 가장 큰 원자핵이라고 한다. 보통의 원자핵은 전자 현미경으로도 관측이 어려울 정도로 작은데 반해 중성자별은 내핵이 전부 중성자만으로 형성된 엄청난 크기의 원자핵이다. 무게로 보면 일반적인 중성자별의 직경이 16km 정도인데 직경 16km인 구에 태양 두 개 정도의 무게가 들어있다. 실감이 안오면 각설탕 정도의 부피에 15톤 덤프가 600만대나 들어있는 모습이라고 상상해 보자. 가히 밀도가 천문학적이다. 중성자별은 밀도가 높아질수록 자기 무게를 견디지 못하고 점점 작아져서 어느 수준(특이점) 이상이 되면 가장 작은 기본입자로 붕괴되어 블랙홀이 되어 버린다. 그래서 중성자별은 그 크기가 한정된 범위 내에서만 존재한다.

블랙홀은 빛조차 삼켜버리지만 중성자별은 아직 빛은 나올 수 있다. 중성자별의 직경이 십 수km에 불과하기에 중성자별의 방사선은 회전축인 자기장축 방향으로 창살같이 모여서 날아간다. 방사선이 중성자별의 자전으로 빙글빙글 돌면서 뿜어지기에 가는 원뿔 현태로 방사된다. 이 방사선의 연장선상에 지구가 있을 때 지구 관측자는 방사선의 강약에 따른 별의 깜빡거림으로 중성자별을 관측할 수 있다. 실제로 중성자별이 처음 발견되었을 당시 별의 깜빡거림을 외계인의 신호로 알고 한바탕 소동을 벌이기도 했다. 이것이 펄사다. 중성자별의 규칙적인 깜빡임 현상을 말한다. 

펄사는 수천년 동안은 거의 일정한 속도로 깜빡거릴 것이다. 이런 펄사의 성질을 이용하여 우주의 등대로 삼기로 했다니 참신한 발상이다. 우주선 파이어니어호에 실린 동판에 지구 근처의 펄사 14개의 방위, 거리, 펄사주기 등과 은하계 중심까지의 지구 좌표 등을 그림으로 새겨 혹 만날지 모를 외계 지성체가 지구의 위치를 찾을 수 있도록 배려한 것이라 한다.

중성자별의 위력은 블랙홀보다는 덜하지만 만만치 않다. 중력이 지구의 천 억배가 넘는 중성자별은 막강한 방사선과 X선이 난무한다. '검은과부거미 펄사'란 특이한 이름의 중성자별은 쌍성을 이루고 있으며 자기의 짝을 막강한 중력으로 끌어당겨서 잡아 먹는다. 마치 짝짓기를 끝낸 암거미가 수놈을 잡아먹듯이. 별들의 세계도 무시무시 하다.

중성자별의 최후는 어떠할까? 중성자별이 너무 수축하여 특이점에 이르면 블랙홀이 되는 것은 이미 설명했다. 자신이 블랙홀이 되는 경우 외에도 주변의 블랙홀에 빨려들어 사라질 수도 있다. 그러고보니 우주도 약육강식의 세계다. 마지막으로 중성자별 두 개가 가까워질 경우 서로의 중력에 끌려 점점 빠르게 공전하며 거리를 좁히다가 빛의 속도로 충돌하여 금과 무거운 원소들을 다량으로 생성하고는 블랙홀로 산화한다. 이 금들은 다 어디로 갔는지 우주는 알면 알수록 신비하기만 하다.

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