중성자별의 핵심은 물리학자들이 내부에서 무슨 일이 일어나는지에 대해 동의할 수 없을 정도로 극한 환경입니다. 그러나 새로운 우주 기반 실험과 몇 가지 중성자별 충돌을 통해 중성자 자체가 분해되는지 여부가 밝혀질 것입니다.
소개
경보는 8월 17일 이른 아침에 시작되었습니다. 두 개의 중성자별(죽은 별의 밀집된 핵)의 잔해에 의해 생성된 중력파가 지구를 휩쓸었습니다. LIGO(Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)의 수천 명 이상의 물리학자들은 천둥소리처럼 감지기를 가로질러 굴러가는 시공간 진동을 해독하기 위해 달려갔습니다. 수천 명의 천문학자들이 잔광을 목격하기 위해 출동했습니다. 하지만 공식적으로는 이 모든 활동이 비밀로 유지됐다. 데이터를 수집하고 분석하고 논문을 작성해야 했습니다. 외부 세계는 앞으로 두 달 동안은 알지 못할 것입니다.
엄격한 금지로 인해 LIGO 협업의 두 멤버인 Jocelyn Read와 Katerina Chatziioannou는 다소 어색한 상황에 놓였습니다. 17일 오후, 두 사람은 중성자별 내부의 거의 불가해한 조건에서 무슨 일이 일어나는지에 대한 질문을 다루는 회의에서 패널을 이끌기로 예정되어 있었습니다. 패널의 주제는 무엇입니까? 중성자별 합병은 어떤 모습일까요? 풀러턴에 있는 캘리포니아 주립대학교의 리드 교수는 “우리는 커피를 마시며 서로를 바라보며 둘러앉았습니다.”라고 말했습니다. “좋아요, 이걸 어떻게 할까요?”
물리학자들은 중성자별이 익숙한 양성자와 중성자의 세계를 쿼크나 다른 이국적인 입자 사이의 새로운 상호 작용으로 분해할 때 생성되는 새로운 형태의 물질을 포함하는지 여부에 대해 수십 년 동안 논쟁을 벌였습니다. 이 질문에 답하면 초신성과 금과 같은 우주의 무거운 원소의 생산을 둘러싼 천문학적 미스터리도 밝혀질 것입니다.
LIGO를 사용하여 충돌을 관찰하는 것 외에도 천체 물리학자들은 외부에서 중성자 별을 조사하는 창의적인 방법을 개발하는 데 바빴습니다. 그러면 문제는 내부의 숨겨진 레이어에 대해 뭔가를 추론하는 것입니다. 그러나 이 LIGO 신호와 그와 유사한 신호(두 개의 중성자별이 질량 중심 주위를 피루엣으로 방출하여 사탕처럼 서로 끌어당기고 마침내 서로 충돌함)는 문제에 대한 완전히 새로운 핸들을 제공합니다.
이상한 물질
중성자별은 거대한 별의 압축된 핵, 즉 초신성 후에 남겨진 초밀도의 재입니다. 그것은 태양만큼의 질량을 가지고 있지만 도시 너비만큼의 공간에 압착되어 있습니다. 따라서 중성자별은 우주에서 가장 밀도가 높은 물질의 저장소이며, 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 물리학자 마크 앨포드는 "블랙홀 이전의 마지막 물질"이라고 말했습니다.
하나를 파헤쳐 보면 우리는 현대 물리학의 가장자리에 도달하게 될 것입니다. 1~2cm의 일반 원자(주로 철과 규소)가 우주에서 가장 밀도가 높은 Gobstopper의 반짝이는 빨간색 베니어판처럼 표면을 덮고 있습니다. 그런 다음 원자는 서로 너무 가까워서 전자를 잃어 공유 바다에 빠집니다. 더 깊은 곳에서는 핵 내부의 양성자가 중성자로 변하기 시작하고, 너무 가깝게 모여서 겹치기 시작합니다.
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta 매거진; 출처:페얄 외젤
그러나 이론가들은 밀도가 일반 원자핵의 밀도보다 2~3배 더 높아질 때 더 먼 곳에서 무슨 일이 일어나는지에 대해 논쟁합니다. 핵물리학의 관점에서 보면 중성자별은 단지 양성자와 중성자(총칭하여 핵자라고 함)일 수 있습니다. 스토니 브룩 대학교의 천체 물리학자인 제임스 래티머(James Lattimer)는 "모든 것은 핵자의 변형으로 설명될 수 있습니다."라고 말했습니다.
다른 천체 물리학자들은 그렇지 않다고 의심합니다. 핵자는 기본 입자가 아닙니다. 그들은 세 개의 쿼크로 구성되어 있습니다. 엄청난 압력 하에서 이러한 쿼크는 새로운 쿼크 물질 상태를 형성할 수 있습니다. "핵자는 당구공이 아닙니다"라고 폴란드 브로츠와프 대학의 물리학자인 David Blaschke는 말했습니다. "체리와 같아서 살짝 압축해도 어느 순간 부서지게 됩니다."
그러나 일부 사람들에게 이와 같은 쿼크 잼이 발생할 것이라는 전망은 상대적으로 바닐라 시나리오에 불과합니다. 이론가들은 중성자별 내부에 다른 이상한 입자 층이 발생할 수 있다고 오랫동안 추측해 왔습니다. 중성자가 서로 더 가깝게 밀집해짐에 따라 모든 추가 에너지는 양성자와 중성자를 독점적으로 구성하는 "위" 및 "아래" 쿼크뿐만 아니라 더 무겁고 더 특이한 "이상한" 쿼크를 포함하는 더 무거운 입자를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.
예를 들어, 중성자는 적어도 하나의 이상한 쿼크를 포함하는 3개의 쿼크 입자인 하이퍼론으로 대체될 수 있습니다. 실험실 실험에서는 하이페론을 만들 수 있지만 거의 즉시 사라집니다. 중성자별 내부 깊은 곳에서는 수백만 년 동안 안정적일 수 있습니다.
또는 중성자별의 숨겨진 깊이가 동일한 양자 상태를 공유하는 단일 물질 덩어리로 모이는 카온(역시 이상한 쿼크로 만들어짐)으로 채워질 수 있습니다.
하지만 수십 년 동안 이 분야는 정체되어 있었습니다. 이론가들은 중성자별 내부에서 무슨 일이 일어날 지에 대한 아이디어를 고안하지만 그 환경은 너무 극단적이고 낯설기 때문에 여기 지구상에서의 실험은 올바른 조건에 도달할 수 없습니다. 예를 들어 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)와 CERN의 물리학자들은 금이나 납과 같은 무거운 핵을 부수고 있습니다. 이는 쿼크-글루온 플라즈마로 알려진 방출된 쿼크로 구성된 수프 같은 물질 상태를 생성합니다. 하지만 이 물질은 밀도가 희박하고 밀도가 높지 않으며, 수십억 또는 수조 도에 달해 상대적으로 차가운 수백만 도에 위치한 중성자별의 내부보다 훨씬 더 뜨겁습니다.
수십 년 된 쿼크와 핵 이론(“양자 색역학”, 즉 QCD)조차도 실제로 답을 제공할 수 없습니다. 비교적 춥고 밀도가 높은 환경에서 QCD를 연구하는 데 필요한 계산은 너무 어려워서 컴퓨터조차도 결과를 계산할 수 없습니다. 연구자들은 지나치게 단순화하고 지름길을 택할 수밖에 없습니다.
유일한 다른 옵션은 천문학자들이 중성자별을 직접 연구하는 것입니다. 불행하게도 중성자별은 멀리 떨어져 있기 때문에 어둡고 매우 기본적인 벌크 특성 외에는 측정하기가 어렵습니다. 더 나쁜 것은 정말 흥미로운 물리학이 표면 아래에서 일어나고 있다는 것입니다. Alford는 "놀라운 일을 하고 있는 연구소가 있는 것 같습니다. 하지만 당신이 할 수 있는 것은 창문에서 나오는 빛을 보는 것뿐입니다."라고 Alford는 말했습니다.
하지만 새로운 세대의 실험이 온라인에 등장하면서 이론가들은 곧 최고의 모습을 보일 수도 있습니다.
질퍽한가, 단단한가?
중성자별의 핵 내부에 있는 것이 무엇이든(느슨한 쿼크, 카온 응축물, 하이퍼론 또는 일반 오래된 핵자) 물질은 태양의 중력보다 더 큰 무게를 견딜 수 있어야 합니다. 그렇지 않으면 별은 블랙홀로 붕괴될 것입니다. 그러나 중력 바이스에 의해 압착될 때 다양한 물질이 서로 다른 정도로 압축되어 주어진 물리적 크기에서 별이 얼마나 무거울 수 있는지를 결정합니다.
천문학자들은 외부에 갇혀 중성자별이 무엇으로 구성되어 있는지 알아내기 위해 거꾸로 연구합니다. 이를 위해서는 눌렀을 때 얼마나 질척질척하거나 뻣뻣한지 아는 것이 도움이 됩니다. 이를 위해 천문학자들은 다양한 중성자별의 질량과 반지름을 측정해야 합니다.
질량 측면에서 가장 쉽게 무게를 측정할 수 있는 중성자별은 펄서입니다. 중성자별은 빠르게 회전하며 회전할 때마다 지구 전체에 전파 빔을 휩쓸고 있습니다. 알려진 2,500개의 펄서 중 약 10%가 쌍성계에 속합니다. 이 펄서가 파트너와 함께 움직이면 지구를 강타하는 펄스의 일정한 틱톡이 달라져야 하며 펄서의 움직임과 궤도에서의 위치를 배반합니다. 그리고 궤도에서 천문학자들은 케플러의 법칙과 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 부과된 추가 규칙을 사용하여 쌍의 질량을 풀 수 있습니다.
지금까지 가장 큰 진전은 놀랍도록 무거운 중성자별의 발견이었습니다. 2010년 버지니아 국립전파천문대(National Radio Astronomy Observatory)의 스콧 랜섬(Scott Ransom)이 이끄는 팀은 태양질량의 약 2배에 달하는 펄서를 측정했다고 발표했는데, 이는 이전에 본 것보다 훨씬 더 큰 펄서였다. 어떤 사람들은 그러한 중성자별이 존재할 수 있는지 의심했습니다. 그것은 핵이 어떻게 행동하는지에 대한 우리의 이해에 엄청난 영향을 미쳤습니다. Ransom은 “이제는 핵 물리학자들 덕분에 지금까지 가장 많이 인용된 관측 펄서 논문과 같습니다.”라고 말했습니다.
중력이 중성자별을 강하게 압축해야 한다고 주장하는 일부 중성자별 모델에 따르면, 해당 질량의 물체는 블랙홀로 완전히 붕괴되어야 합니다. 이는 특히 질퍽한 카온 응축물에게는 나쁜 소식이 될 것이며, 너무 많이 압축되는 쿼크 물질과 하이퍼론의 일부 버전에는 좋지 않은 징조입니다. 이 측정은 2013년에 태양질량 2배의 또 다른 중성자별이 발견되면서 확인되었습니다.
반경은 더 까다롭습니다. 애리조나 대학의 Feryal Özel과 같은 천체물리학자들은 중성자별의 표면에서 방출되는 X선을 관찰하여 중성자별의 물리적 크기를 계산하는 다양한 방법을 고안했습니다. 한 가지 방법은 다음과 같습니다. 전체 X선 방출을 보고 이를 사용하여 표면 온도를 추정한 다음 관찰된 빛을 방출하려면 중성자별이 얼마나 커야 하는지 알아낼 수 있습니다(중력에 의해 뒤틀린 시공간을 통해 빛이 구부러지는 방식을 수정). 또는 중성자별 표면에서 회전하며 시야에서 사라지는 핫스팟을 찾을 수도 있습니다. 중성자별의 강한 중력장은 이러한 핫스팟에서 나오는 빛의 펄스를 수정합니다. 그리고 별의 중력장을 이해하면 별의 질량과 반지름을 재구성할 수 있습니다.
액면 그대로 받아들인 이러한 X-선 측정은 중성자별이 무거울 수 있음에도 불구하고 예측의 작은 끝에 있음을 시사합니다. Özel에 따르면 너비는 약 20~22km에 불과합니다.
중성자별이 작으면서도 거대하다는 사실을 받아들이면 "좋은 의미에서 당신을 가두는 것"이라고 Özel은 말했습니다. 그녀는 상호작용하는 쿼크로 채워진 중성자별은 이런 모습일 것이며, 핵자로만 구성된 중성자별은 더 큰 반경을 가질 것이라고 그녀는 말했습니다.
그러나 다른 비평가들 사이에서 Lattimer는 X선 측정에 사용되는 가정에 대해 의구심을 갖고 있는데, 그는 이를 결함이 있다고 말합니다. 그는 반지름이 실제로는 더 작게 보인다고 생각합니다.
양측은 조만간 분쟁 해결이 이뤄질 것으로 기대하고 있다. 지난 6월, SpaceX의 국제 우주 정거장에 대한 11차 재보급 임무에는 NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer)라는 X선 망원경이 들어 있는 372kg의 상자가 포함되었습니다. 이제 데이터를 수집하는 NICER는 표면의 핫스팟을 관찰하여 중성자별의 크기를 알아내도록 설계되었습니다. 이 실험을 통해 이미 질량이 측정된 펄서를 포함하여 중성자별의 반경을 더 잘 측정할 수 있을 것입니다.
Blaschke는 "우리는 매우 기대하고 있습니다."라고 말했습니다. 단 하나의 중성자별에 대해서도 잘 측정된 질량과 반경은 내부 구조에 대한 많은 가능한 이론을 무너뜨리고 크기와 무게의 특정 조합을 생성할 수 있는 이론만 적용하게 됩니다.
그리고 이제 마침내 LIGO가 등장했습니다.
첫 번째 통과로 리드가 8월 17일 논의하기 위해 커피 위에 모인 신호는 두 개의 중성자 별이 아닌 두 개의 블랙홀이 합쳐진 것처럼 처리되었습니다. 이것은 불합리한 일이 아니었습니다. LIGO의 이전 신호는 모두 계산적 관점에서 볼 때 더 다루기 쉬운 블랙홀에서 나왔습니다. 그러나 이 신호는 더 가벼운 물체와 관련이 있었고 블랙홀 합병보다 훨씬 오랫동안 지속되었습니다. "이것은 우리가 연습했던 것과 같은 종류의 시스템이 아니라는 것이 즉시 명백해졌습니다"라고 Read는 말했습니다.
두 개의 블랙홀이 함께 나선을 그리면 궤도 에너지가 중력파로 시공간으로 흘러 들어갑니다. 그러나 새로운 90초 길이의 LIGO 신호의 마지막 1초 정도에 각 물체는 블랙홀이 하지 않는 일을 했습니다. 바로 변형이었습니다. 두 쌍은 서로의 물질을 늘리고 압축하기 시작하여 궤도에서 에너지를 훔치는 조수를 생성했습니다. 이로 인해 그들은 다른 경우보다 더 빠르게 충돌하게 되었습니다.
몇 달 동안 정신없이 컴퓨터 시뮬레이션을 실행한 후 LIGO 내부의 Read 그룹은 조수가 신호에 미치는 영향에 대한 첫 번째 측정값을 발표했습니다. 지금까지 팀은 상한선만 설정할 수 있었습니다. 즉, 조수 효과가 약하거나 심지어 눈에 띄지 않을 수도 있습니다. 결과적으로, 이는 중성자별이 물리적으로 작으며, 물질이 중심 주위에 매우 단단히 고정되어 있어 조수에 의해 휩쓸려가는 것에 더 잘 견딘다는 것을 의미합니다. "내 생각에 최초의 중력파 측정은 어떤 의미에서는 X선 관측이 말해왔던 종류의 것들을 실제로 확인하는 것이라고 생각합니다"라고 Read는 말했습니다. 하지만 이것이 마지막 말이 아닙니다. 그녀는 동일한 신호를 더욱 정교하게 모델링하면 더욱 정확한 추정치를 얻을 수 있을 것으로 기대합니다.
NICER와 LIGO가 중성자별 물질을 보는 새로운 방법을 제공함으로써 많은 전문가들은 향후 몇 년 동안 물질이 중력에 어떻게 견디는가에 대한 명확한 답을 제공할 것이라고 낙관하고 있습니다. 그러나 Alford와 같은 이론가들은 중성자별 물질의 찌그러짐을 측정하는 것만으로는 그것이 무엇인지 완전히 밝혀낼 수 없다고 경고합니다.
아마도 다른 서명이 더 많은 것을 말해 줄 수 있을 것입니다. 예를 들어, 중성자별이 냉각되는 속도에 대한 지속적인 관찰을 통해 천체물리학자들은 그 내부의 입자와 에너지를 방출하는 능력에 대해 추측할 수 있습니다. 또는 시간이 지남에 따라 회전 속도가 어떻게 느려지는지 관찰하면 내부의 점도를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
궁극적으로, 밀도가 높은 물질이 언제 위상을 바꾸고 그것이 무엇으로 변하는지 아는 것만으로도 가치 있는 목표라고 Alford는 주장합니다. "다양한 조건에서 물질의 특성을 매핑하는 것은 일종의 입니다"라고 그는 말했습니다. 물리학.
이 기사는 Wired.com에 재인쇄되었습니다.
