무엇으로 이루어졌나: 작은 크기, 큰 무게, 낯선 물질
중성자별, 밀도, 회전, 표면이라는 네 단어를 먼저 적어 둡니다. 중성자별은 거대한 별이 마지막 폭발을 치른 뒤 남기는 작은 핵입니다. 겉보기에 작은 별처럼 들리지만, 실제로는 도시 정도의 크기에 태양에 가까운 무게를 품은 믿기 어려운 덩어리입니다. 이처럼 작은 크기와 큰 무게가 만나면, 안쪽의 물질은 흔한 원자 상태로 남아 있지 못합니다. 전자와 양성이 서로 포개지며 중성자라는 알갱이가 빽빽하게 들어선 낯선 상태가 됩니다. 그래서 ‘중성자별’이라는 이름이 붙었습니다. 표면은 매끈한 바위가 아니라 아주 얇고 단단한 껍질과 같습니다. 그 안쪽에는 짙은 수프 같은 층이 겹겹이 이어지고, 가장 깊은 곳에서는 우리가 실험실에서 만들지 못한 상태가 숨어 있을 가능성도 있습니다. 중성자별은 태어날 때 빠르게 회전하는 경우가 많습니다. 부풀어 있던 별이 갑자기 작아지면 회전이 빨라지는 회전의 법칙이 작용하기 때문입니다. 또한 표면의 자기장은 보통의 별보다 훨씬 강해, 주변의 전하 입자를 이끕니다. 강한 자기장과 빠른 회전은 중성자별의 표정을 결정하는 핵심 재료입니다. 작은 크기 때문에 중력은 표면 가까이에서도 매우 강합니다. 표면에서 떠나려는 입자는 쉽게 가속됩니다. 이 극단적인 환경은 교과서에서 본 힘과 물질의 법칙이 어디까지 통하는지 시험하는 실험대가 됩니다. 그래서 중성자별은 단지 별 하나가 아니라, 자연이 만든 연구소라고 할 수 있습니다. 이 연구소의 조건을 알기 위해 우리는 빛의 색과 밝기, 깜빡임의 주기, 주변 가스와 먼지의 반응을 함께 기록합니다. 기록을 오래 모을수록, 작은 별의 낯선 내부가 조금씩 윤곽을 드러냅니다. 또한 중성자별의 표면 근처에서는 열과 자기장의 경쟁이 벌어집니다. 표면의 작은 얼룩들이 밝기 변화를 만들고, 이 얼룩들이 회전에 실려 보일 때마다 빛의 세기가 살짝 흔들립니다. 이 미세한 흔들림은 내부의 온도 차이와 껍질의 강도를 비추는 창이 됩니다. 간혹 표면의 껍질이 미끄러지듯 순간적으로 재배열되며, 회전 속도가 아주 조금 튀어 오르는 ‘깜짝 사건’이 보고되기도 합니다. 우리는 이런 사건을 낱말 하나로 적고 넘어가지 않습니다. 시간, 밝기, 색, 주기 변화의 목록을 차곡차곡 쌓아 낯선 물질의 성질표로 바꾸려는 시도를 계속합니다.
펄서라는 이름의 등대: 신호, 시계, 그리고 지도
펄서, 신호, 시계, 지표라는 네 단어로 중성자별의 특별한 모습을 설명하겠습니다. 어떤 중성자별은 북극과 남극 근처에서 가늘고 밝은 빛줄기를 뿜어내며 회전합니다. 이 빛줄기가 우리의 시야를 스칠 때마다, 주기적인 깜빡임이 기록됩니다. 우리는 이런 중성자별을 ‘펄서’라고 부릅니다. 펄서의 신호는 놀랍도록 규칙적입니다. 어떤 것은 1초에 몇 번, 어떤 것은 1초에 수백 번 깜빡입니다. 이 정교한 박자는 자연이 만든 시계로 쓰기에 충분합니다. 신호가 갑자기 빨라지거나 느려지면, 그 변화는 내부의 작은 지진, 주변의 얇은 디스크와의 상호작용, 또는 동료 별과의 만남 같은 사건을 암시합니다. 우리는 이 미세한 변화들을 모아 펄서의 나이와 건강, 주변 환경의 윤곽을 그립니다. 또한 펄서 사이의 넓은 공간을 지나는 파도, 곧 공간의 잔물결이 지나갈 때 신호의 박자가 아주 미세하게 어긋날 수 있습니다. 이 어긋남의 패턴은 눈에 보이지 않는 먼 곳의 큰 춤, 예를 들면 거대한 두 천체가 서로 가까워지는 장면을 가리키기도 합니다. 펄서는 또 다른 방법으로도 지도를 그리는 데 도움을 줍니다. 신호가 우리에게 오기까지 거친 길에서, 전자기파는 성간 공간의 묽은 전자 바다에 의해 약간 지연됩니다. 우리는 여러 색의 신호가 도착하는 시간 차이를 비교해, 길 위의 전자의 양을 추정합니다. 그 결과 은하의 보이지 않는 가스 지도를 조금씩 채울 수 있습니다. 즉, 작은 등대의 깜빡임이 거대한 동네의 날씨를 알려 주는 셈입니다. 펄서의 신호를 정확히 읽기 위해서는 지구의 시계와 망원경의 위치, 대기의 얇은 흔들림까지 모두 보정해야 합니다. 보정이 정교해질수록 펄서의 작은 기침도 들립니다. 또한 서로 멀리 떨어진 관측소가 같은 펄서를 동시에 기록하면, 우리는 장난스러운 지연과 잡음을 서로 지워 더 맑은 박자를 얻을 수 있습니다. 이렇게 닦아낸 박자는 은하의 깊은 곳을 관통한 뒤 도착한 순도 높은 기록이 됩니다. 그 기록은 우리 은하의 보이지 않는 전자 바다의 두께를 들추는 데도 쓰이고, 펄서 자신이 들고 있는 자기장의 기울기와 회전축의 각도를 추정하는 데도 도움을 줍니다.
만남과 폭죽: 병합, 무거운 원소, 그리고 새로운 신호
병합, 폭죽, 무거운원소, 신호라는 네 단어로 마무리하겠습니다. 중성자별이 둘씩 짝을 이루어 도는 경우가 있습니다. 시간이 흐르며 두 별은 서서히 에너지를 잃고 가까워지고, 마침내 서로에게 달려들어 합쳐집니다. 이 순간 공간에는 물결이 퍼져 나가고, 주변에는 빛과 입자의 불꽃이 번집니다. 합쳐지는 과정에서 튀어나온 일부 물질은 아주 무거운 원소로 재빨리 바뀝니다. 금과 백금 같은 원소가 이런 장면에서 주로 만들어진다는 생각은 낭만이 아니라 과학적 추정에 가깝습니다. 불꽃은 빠르게 밝아졌다가 며칠에서 몇 주에 걸쳐 색이 변하며 서서히 사그라듭니다. 우리는 이 빛의 변화를 ‘빠른 불꽃’이라는 뜻의 별명으로 부르곤 합니다. 빛의 색과 밝기, 줄어드는 속도는 튀어나온 물질의 양과 속도를 알려 주고, 공간의 물결 신호는 두 주인공의 무게와 회전, 마지막 접촉의 리듬을 들려줍니다. 두 정보가 한 사건을 함께 설명할 때, 우리는 자연의 실험에서 더 많은 답을 얻습니다. 중성자별의 만남은 우주의 재활용 창구이기도 합니다. 사건이 남긴 잔해는 주변 구름을 눌러 새로운 씨앗을 만들고, 깊은 곳에서 만들어진 무거운 재료는 먼지와 얼음에 섞여 다음 세대의 별과 행성을 꾸밉니다. 병합 직전의 두 별은 마치 바이올린 줄처럼 점점 빠른 진동을 내며 서로의 궤도를 좁혀 갑니다. 이때 공간의 물결은 고조되며 마지막 순간에 이르러 가장 높은 음을 남깁니다. 우리는 이 음의 높낮이와 길이를 따라 두 주인공의 과거를 거꾸로 읽어 갑니다. 한편 주변 구름에 남긴 흔적은 시간과 함께 식어 가며, 다른 파장의 빛으로 차례로 얼굴을 바꿔 보여 줍니다. 처음에는 뜨거운 빛이 강하다가, 며칠이 지나면 더 붉고 묵직한 빛이 이어지는 식입니다. 이 장면의 색 변화를 정확히 재면, 우리가 상상하는 무거운 원소의 조리법이 얼마나 현실과 가까운지 시험할 수 있습니다. 우리는 작은 등대의 깜빡임과 빠른 불꽃의 잔향을 귀 기울여 듣고, 그 기록을 오랫동안 이어 붙여 지도를 완성해 갈 것입니다. 중성자별은 폭발의 끝에서 태어났지만, 그 존재 자체가 다음 장으로 향하는 표지판입니다. 작은 등대가 비추는 박자와 빛깔 속에서, 우리는 우주가 에너지를 나누고 재료를 돌려 쓰는 방식을 배웁니다.
출처: 한국천문연구원 중성자별·펄서 해설, 국립중앙과학관 천문 자료, 유럽우주국(ESA) 교육 자료