중성자별(neutron star)은 태양 질량보다 무거운 별이 초신성으로 폭발한 뒤 남아있는 코어(core) 부분으로 구성되는 천체다. 초신성 중 무거운 것은 블랙홀이 되고, 가벼운 것이 중성자별이 된다.
중성자별은 말 그대로 중성자(neutron)들로 구성돼 있으며 높은 밀도와 강한 자기장, 높은 온도 등이 특징이다. 특히 태양 정도의 질량을 가졌지만 직경은 고작 20km 정도로 추정, 발견하기 쉽지 않다. 또 이 정도의 밀도는 에베레스트산을 조그만 찻숟가락 위에 올려놓을 정도와 맞먹는다.
또한 과학자들은 중성자별이 몇 겹의 구조를 이루고 있다고 본다. 무거운 원자의 단단한 껍질을 수소나 헬륨 원자의 대기가 둘러싸고 있으며, 안 쪽으로 들어갈수록 압력이 급격하게 증가해 내부에서는 원자핵에서 전자가 제거된다. 그 밑 코어의 외부층에서는 핵이 중성자와 양성자로 분리되고, 내부로 들어갈수록 강해지는 압력으로 인해 양성자와 전자가 함께 분쇄돼 결국 코어는 대부분 중성자로 이뤄졌다고 보고 있다.
이처럼 태양 질량의 약 1.4배인 전형적인 중성자별은 내부 코어가 대부분 중성자로 채워질 것으로 예상된다. 하지만 더 무거운 중성자별에서는 내부 코어의 밀도가 훨씬 높아 중성자가 온전한 상태를 유지할 수 있는지 아니면 대신 쿼크(quark)라는 새로운 물질로 분해되는지는 확실치 않다.
하지만 과학자들은 쿼크가 존재한다는 가설을 선호한다. 쿼크는 중성자별의 축소 가능성을 좌우하는데, 쿼크가 중성자별 내부에서 자유롭게 돌아다니면 핵을 더 많이 압축시킨다고 추정하고 있다. 이 때문에 과학자들은 엄청나게 밀도가 높은 중성자별이라고 해도 더 찌그러질 수 있다고 본다.
과학자들은 중성자별의 정확한 크기를 측정하면 쿼크의 존재 여부를 알아낼 수 있다고 본다. 중성자별이 작으면 쿼크가 안 쪽에 존재한다는 말이고, 반대로 클 경우는 더 복잡한 형태의 물질이 있다는 것을 암시하기 때문이다.
따라서 미 항공우주국(NASA) 고다드 비행센터 천체물리학자 자벤 아르주마니안 등 연구진은 국제우주정거장에 탑재된 X선 망원경 NICER(중성자별 내부 구성 탐색기)를 사용해 현재 가장 무거운 것으로 알려진 중성자별의 둘레를 측정했다. 이 별은 기린자리에서 3600광년 이상 떨어져 있는 PSR J0740+6620로, 질량은 태양의 약 2.1배로 관측됐다.
그리고 이 데이터를 유럽우주국(ESA)의 XMM-뉴턴 위성의 측정치와 결합한 결과 이 중성자별의 크기는 25~27km로 추정됐다. 이는 기존 과학자들이 생각하던 것보다 크다. 이번 연구에 참가한 메릴랜드대학의 천체물리학자 콜 밀러 교수는 "중성자별이 붕괴해 블랙홀이 되면 크기를 측정할 수 있는 방법이 없어진다"며 "이번 연구를 통해 중성자별 내부 물질이 많은 사람들이 예상했던 것과는 달리 더 축소될 여지가 없다는 것을 보여준다"고 말했다.
하지만 과학자들은 이번 관측으로 쿼크가 없다고 보는 대신 다른 해석을 내놓았다. 워싱턴대학의 천체물리학자 산자이 레디는 "이 사실은 약간 당혹스럽다"며 "이는 중성자별 내부에서 쿼크가 자유롭게 돌아다니는 대신 여전히 서로 강하게 상호작용하는 것으로 해석할 수 있다"고 말했다.
물론 이번 측정으로 결론내릴 수 있는 것은 없다. 연구진은 "이번 결과는 워싱턴 D.C. 전체 중에서 고작 400m 정도의 범위에 대해 알아낸 것과 같다"며 "하지만 NICER는 중성자별에 대한 교과서를 재작성할뿐 아니라 매우 먼 물체와 매우 작은 물체의 측정에 대한 능력을 혁신적으로 발전시키고 있다"고 의의를 밝혔다.
이번 연구는 최근 미국물리학회 온라인 회의를 통해 발표됐다.
채유진 기자 eugene@sputnik.kr
