How big is 중성자별?

중성자별은 초신성으로 폭발한 무거운 별의 붕괴한 중심핵이다. 초신성은 일부 큰 별의 일생을 끝내는 폭발이다. 중성자별은 태양보다 많은 질량이 지름 약 24~26킬로미터의 공 안에 들어 있다. 지름은 중심을 곧바로 지나도록 잰 너비이다.

크기

과학자들은 중성자별이 수소나 헬륨으로 된 얇은 대기 아래에 무거운 원자로 이루어진 단단한 지각을 가진다고 본다. 그래서 크기를 잴 수 있는 표면이 있다. 정밀한 측정은 국제우주정거장에 설치된 X선 망원경 NICER에서 나온다.

NICER는 빠르게 자전하는 중성자별인 펄사를 연구한다. 천문학자들은 이 자료를 이용해 펄사 PSR J0030+0451의 지름이 약 26킬로미터이고 질량이 태양의 약 1.4배임을 알아냈다. 질량이 태양의 약 2.1배인 PSR J0740+6620은 한 연구팀의 분석에서는 지름이 약 25킬로미터, 다른 연구팀의 분석에서는 약 27킬로미터로 측정되었다. 2024년에는 세 번째 펄사인 PSR J0437−4715의 지름이 약 23킬로미터로 측정되었다.

이 결과들은 각각 몇 킬로미터의 불확실성이 있다. 한 연구팀은 처음 두 펄사의 결과를 다른 관측과 결합해, 2021년에 질량이 태양의 1.4배인 전형적인 중성자별의 반지름이 12.45킬로미터이고 오차는 0.65킬로미터 정도라는 결과를 얻었다. 이에 따르면 지름은 약 24~26킬로미터가 된다.

크기 비교

NASA는 중성자별의 지름을 뉴욕시 맨해튼섬의 길이와 비교한다.
지름이 24킬로미터인 중성자별의 적도를 한 바퀴 달리면 약 75킬로미터를 가게 되며, 이는 마라톤 약 1.8회의 거리이다.
화성의 두 위성 중 큰 쪽인 포보스는 길이가 약 27킬로미터로, 중성자별의 지름보다 조금 더 길다. 그런데도 전형적인 중성자별의 질량은 포보스의 약 260조 배이다.
태양은 지름이 약 139만 킬로미터로, 지름이 24킬로미터인 중성자별의 58,000배이다.
중성자별을 농구공 크기로 줄인다면, 같은 축척에서 태양은 지름이 약 14킬로미터인 공일 것이다.

중성자별이 만들어지는 과정

수명이 끝날 무렵, 태양보다 몇 배나 무거운 별은 중심핵의 연료가 바닥난다. 중심핵은 자신의 무게로 붕괴하고, 별은 초신성으로 폭발한다. 이런 별 가운데 가장 무거운 것은 블랙홀을 남긴다. 그보다 가벼운 별은 중성자별을 남긴다.

붕괴가 일어나면 중심핵의 양성자와 전자가 서로 눌려 합쳐져 중성자가 되며, 별의 이름은 이 입자에서 왔다. 붕괴하는 중심핵의 질량이 태양의 약 1~3배이면 중성자가 붕괴를 멈출 수 있다.

중성자별의 내부

과학자들은 중성자별이 층을 이루고 있다고 본다. 지각 아래에서는 압력이 원자를 부수어 대부분 중성자로 이루어진 바다를 만든다. 깊은 곳에서는 중성자가 원자핵 속 입자보다 최대 2배까지 빽빽하게 들어차 있다. 가장 중심에서 물질이 어떤 형태를 띠는지는 아직 알려져 있지 않다.

전형적인 중성자별은 1세제곱센티미터당 평균 3억~4억 톤의 질량을 담고 있다. 중성자별의 크기와 질량을 모두 재면 물리학자들은 이렇게 밀도가 높은 물질이 어떻게 행동하는지 알아낼 수 있다. PSR J0740+6620은 PSR J0030+0451보다 질량이 50%에 가깝게 많지만, 크기는 사실상 같다. 이 결과는 중심의 물질이 더 쉽게 압축된다고 보는 일부 가설에 반하는 근거가 된다.

펄사와 그 발견

발터 바데와 프리츠 츠비키는 1934년에 중성자별이 존재한다고 제안했다. 조슬린 벨 버넬은 1967년에 최초의 펄사를 발견했다. 알려진 중성자별 대부분은 펄사로 관측된다. 펄사는 자전하면서 하늘을 훑고 지나가는 빔을 내보내는데, 이 빔이 등대의 불빛과 같아서 켜졌다 꺼졌다 하는 것처럼 보인다.

펄사는 매우 빠르게 자전할 수 있다. PSR J0740+6620은 1초에 346번 회전한다. NICER는 펄사에서 오는 X선 하나하나의 도착 시간을 100나노초, 즉 10억분의 100초 이내의 정확도로 기록한다. 변화하는 밝기는 별이 빛을 얼마나 강하게 휘게 하는지 보여 주며, 과학자들은 이 값과 질량으로 크기를 알아낼 수 있다.