비교적 질량이 작은 별이 가지고 있던 원료를 다 소비하고 더 이상 핵융합 반응을 일으키지 못하게 되면 중력이 상황을 압도하게 되면서 그 별의 핵은 중력에 의해 붕괴되기 시작합니다. 하지만 이런 핵의 붕괴가 한없이 계속되는 건 아니고 핵에 존재하고 있는 전자들 사이에 자기들끼리 서로 압축되는 것에 저항하는 힘이 작용해서(전자축퇴압: electron degeneracy pressure) 일정 수준에서 붕괴가 멈추게 된다고 합니다.

하지만 태양 질량의 8배에서 20배에 이르는 엄청나게 큰 별들이 소멸할 때는 이러한 전자축퇴압마저도 무시무시한 중력의 힘을 이기지 못해서 그런 별들의 핵은 결국 전자, 양성자, 그리고 그 밖의 아원자 입자(subatomic particles)들이 다 합쳐져서 중성자로 변하게 된다고 합니다. 결국 중성자들로 이루어진 공(ball)이 하나 생기는 건데 바로 우주에서 가장 이상한 존재라고 하는 중성자별이 탄생하게 되는 것입니다.



중성자별 구조...


이런 중성자별의 직경은 약 20km 정도밖에 안되지만 밀도는 어마어마해서 1세제곱센티미터의 중성자별 물질의 질량이 무려 4억 톤(!)정도가 된다고 합니다. 이게 어느 정도의 수치냐 하면 현재 미국 땅위를 달리고 있는 모든 종류의 차량들 (승용차, 버스, 트럭, 기차, 지하철 등등)을 전부 다 압축시켜서 1세제곱센티미터의 부피로 만든다면 그게 바로 중성자별 물질의 밀도와 비슷해진다고 합니다.


중성자별의 크기


우리도 중성자별을 만들어 보자...


밀도뿐만 아니라 중성자별의 중력도 어마어마해서 만약 여러분들이 중성자별에 발을 디디고 선다면 순식간에 여러분들은 단지 원자 몇 개 정도의 두께로 압축이 되어 버릴 겁니다. 적어도 중성자별에서는 키 크다고 자랑할 일은 없을 것 같습니다...--;;; 약 78kg 정도 나가는 사람이 중성자별에서는 현재 뉴욕에 있는 엠파이어스테이트빌딩 무게보다 약 23,000배 정도 더 무게가 나가게 된다고 하니까 중성자별은 도저히 일반적인 상식으로는 상상이 잘 안가는 환경인 것 같습니다. (물론 이 모든 일이 일어나기도 전에 여러분들은 이미 이 세상 사람이 아니겠지만요...)

중성자별의 자전속도도 엄청납니다. 이건 김연아 선수를 생각해 보면 이해가 쉽습니다. 김연아 선수가 제자리에서 스핀을 돌 때 팔이나 다리를 펼칠 때는 비교적 느리게 회전하다가 팔, 다리를 몸 쪽으로 오므리면 스핀 속도가 빨라지는 것처럼 크기가 어마어마하게 줄어든 중성자별의 스핀 속도 역시 무시무시하게 빨라집니다. 아마도 부엌에서 흔히 볼 수 있는 믹서의 날보다도 더 빨리 도는 것으로 추정되고 있습니다. 이러다 보니 자기장도 무지막지 합니다. 보통 중성자별의 자기장의 세기는 태양 자기장 세기의 약 수 조(兆) 배 정도가 된다고 합니다.



중성자별...


중성자별들 가운데 펄서(pulsar)라고 하는 별이 있습니다. 이 펄서는 1967년 그 당시 대학원생이었던 조셀린 벨에 의해서 처음 발견이 되었습니다. 그때 그녀는 전파 망원경을 설치하는 작업을 돕고 있었는데 전파 망원경에서 측정된 데이터에 주기적으로 노이즈가 잡히는 사실을 알아냈습니다. 처음에는 망원경에 이상이 있는 줄 알았는데 좀 더 면밀하게 자료를 살펴봤더니 그것은 우주의 천체에서 주기적으로 날아오는 노이즈임을 알 수 있었습니다. 그 천체가 바로 펄서였습니다.

펄서는 본질적으로는 중성자별인데 빠른 스핀으로 인해 엄청난 자기장 에너지가 마치 등대처럼 일정 방향으로 주기적으로 발산이 되는 별을 가리킵니다. 따라서 지구에서는 마치 맥박이 뛰듯 일정 주기로 이런 자기장 에너지들을 측정할 수 있다고 합니다. 펄서의 에너지는 가시광선, 라디오파, 그리고 엑스선의 형태로 관측이 될 수 있습니다. 현재는 우리은하 내부에서만도 약 천 개 가까운 펄서들을 확인했다고 합니다.





펄서...


중성자별들은 천하무적일 것 같지만 꼭 그렇지만도 않은 가 봅니다. 펄서 가까이에서 보통 별이 펄서 주위를 도는 경우가 있다고 합니다. 그런데 만약 펄서와 보통 별이 좀 더 가까워지면 펄서가 보통 별의 물질들을 빨아들이기 시작합니다. 한 마디로 펄서가 보통 별을 잡아먹는 거지요. 이런 상황이 벌어지게 되면 안 그래도 빠른 펄서의 스핀 속도가 더 빨라지게 됩니다. 어떤 경우에는 일 초에 수백 번 이상 돌게 되는 경우도 생기는데 만약 이 보다도 더 빨리 펄서가 돌게 되면 엄청난 원심력이 평생 적수가 없을 것 같던 무시무시한 펄서의 중력을 이기게 되어 펄서를 찢어발긴다고 합니다...(와우!...--;;;)



거부할 수 없는 중성자별의 매력...내게로 끌려온다...--;;;


점점 빨리 돌다가...


펑!...


또 다른 중성자별의 종류로 마그네타(magnetar)라고 하는 별들도 있습니다. 이놈들은 말 그대로 무시무시한 자기장을 내뿜는 중성자별들입니다. 자기장의 세기가 태양 자기장의 약 천 조 배 정도 되는 별들이라고 하네요. (우리 태양은 그냥 동네북!!!) 이 친구들은 흔한 편은 아니고 전체 중성자별의 약 10% 정도라고 하고 우주에 존재하는 기간도 비교적 짧다고 합니다.

이런 마그네타에서 지각은 엄청난 중력과 너무나 빠른 스핀 속도로 인해 매우 강한 압박을 받고 있는데 만약 지각이 이러한 압박을 이기지 못하고 깨지게 되면 일종의 지진이 아닌 성진(starquake)이 발생하게 됩니다. 지구의 지진도 지구 내부의 에너지가 외부로 방출이 되는 것인데 중성자별도 마찬가지라고 합니다. 마그네타의 경우 마그네타의 지각이 단지 1cm 정도만 안으로 꺼져 들어가도 그로 인해 방출되는 에너지는 상상을 초월한다고 합니다.



지진이 아니고 성진...


이렇게 방출되는 에너지는 태양이 약 25만년 정도의 기간 동안 방출하는 에너지와 맞먹는다고 합니다. 단 마그네타는 이런 에너지를 단 1초도 안 되는 시간 안에 방출한다는 차이는 있겠습니다. 실례로 2004년에 SGR1806-20이라고 불리는 마그네타가 이렇게 에너지를 한 번 방출한 적이 있었는데 이때의 에너지가 지구의 자기장을 납작하게 압축시켰고 부분적으로 지구 상층부의 대기를 이온화 시켰다고 합니다. 이 SGR1806-02가 지구와 얼마나 멀리 떨어져 있냐고요? 약 5만 광년 정도 떨어져 있다고 합니다. 5만 광년의 거리를 날아온 에너지가 그 정도였습니다. 만약 5광년 이었으면?...--;;;



그나마 5만 광년을 달려와서 이 정도...--;;


중성자별들...가급적이면 이 친구들 근처에는 안가는 게 현명한 일인 것 같습니다.


본문의 내용은 다음의 동영상을 참고하여 작성되었습니다.
https://youtu.be/RrMvUL8HFlM?list=PL8dPuuaLjXtPAJr1ysd5yGIyiSFuh0mIL