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- 어린 중성자별(817년과 7,700년)의 상태방정식은 75% 맞지 앟아
- 세 개의 별 잔해가 모두 우주 기준으로 볼 때 매우 어리고 그에 따라 뜨거워야 함
- 소위 Urca 과정에서 (반)중성미자의 강력한 방출이 냉각 과정을 가속화하는 모델도 여전히 실행 중

세 가지 이상치 이론 맞지 않아
너무 멋진 젊은 중성자별은 모든 상태 방정식의 4분의 3을 반증

설명하기 어려움:
천문학자들은 대부분의 일반적인 모델과 모순되는 세 개의 젊은 중성자별을 발견했다. 이 별들은 수백에서 천년이라는 어린 나이에 비해 너무 차갑다. 중성자별의 비정상적으로 빠른 냉각은 초밀도 별 잔해의 내부 작동에 대해 이전에 확립된 모든 상태 방정식의 75%와 모순된다. 연구팀이 Nature Astronomy에서 보고한 것처럼 이는 그 내부의 이국적인 입자와 프로세스를 나타낼 수 있다. 

▲ 일반적인 모델에 따르면 중성자별은 천천히 냉각된다. 그러나 이제 세 가지 "너무 차가운" 특이치가 이를 반박한다. © ESA/ Marino et al.

 

중성자별은 초신성에서 폭발한 거대한 별의 잔해이며 우주에서 블랙홀 다음으로 밀도가 가장 높은 물체다. 내부가 너무 압축되어 원자 구성 요소도 붕괴되고 중성자나 자유 쿼크만 남는다. 이것이 가정이다. 천체 물리학자조차도 중성자별의 이국적이고 밀도가 높으며 아마도 초유체 중심에서 무슨 일이 일어나고 있는지 추측할 수 있을 뿐이다.

어떤 상태 방정식이 적용되나?

"중성자별의 밀도가 높은 물질에 어떤 상태 방정식이 적용되는지에 대한 질문은 물리학의 여러 분야에서 중요한 질문이다"고 바르셀로나 우주 연구소의 Alessio Marino와 그의 동료들은 설명한다. 이 방정식은 중성자별의 구조, 냉각 속도 및 회전 거동을 설명할 뿐만 아니라 우주의 아원자 과정과 중력파에 대한 정보도 제공한다.

중성자별의 과정을 더욱 명확하게 하기 위해 마리노와 그의 팀은 별 잔해의 냉각 거동을 구체적으로 조사했다. 일반적인 가정은 이것이 처음에는 매우 뜨겁다가 시간이 지나면서 점차 냉각된다는 것이다. 이것이 얼마나 빨리 일어나는지는 중성자별 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지, 그리고 그 안의 물질이 어떤 상태에 있는지를 보여준다. “이것은 결국 가능한 상태 방정식의 범위를 좁혀준다”고 천문학자들은 말했다.

연구를 위해 연구자들은 XMM-뉴턴과 찬드라 X선 망원경의 데이터를 조사해 분리되어 있고 쉽게 데이터를 얻을 수 있는 중성자별 70개를 식별했다. 

▲ 세 개의 차가운 중성자별의 열광도를 일반적인 모델 중 하나의 냉각 곡선과 비교했다. 관측 데이터와 계산에 대한 오차 막대는 녹색과 검은색으로 표시되고, 빨간색 가로 막대는 세 물체의 최대 광도를 표시한다. © Marino et al./Nature Astronomy, CC-by 4.0

세 가지 냉각 이상값

그들은 세 가지 특이점을 발견했다. “세 개의 중성자별은 비슷한 나이의 다른 모든 물체보다 훨씬 더 차가웠기 때문에 눈에 띄었다”고 천문학자들은 보고했다. 이들 중성자별 중 두 개(PSR J0205+6449 및 PSR B2334+61)는 각각 817년과 7,700년밖에 되지 않은 빠르게 회전하는 펄서였다. 세 번째 특이점(CXOU J0852-4617)은 초신성 잔해의 중심 천체이며 나이는 2,500~5,000년이다. 이는 세 개의 별 잔해가 모두 우주 기준으로 볼 때 매우 어리고 그에 따라 뜨거워야 함을 의미한다.

그러나 그렇지 않다. 세 개의 중성자별은 모두 어린 나이에 비해 10배에서 100배 더 시원하다고 마리노와 그의 동료들이 판단했다. 마리노의 동료인 난다 레아(Nanda Rea)는 “이 세 중성자별의 젊은 나이와 차가운 표면의 조합은 급속한 냉각 메커니즘으로만 설명될 수 있다”고 말했다.

모델의 75%가 맞지 않아

이것이 이론적 모델과 상태방정식에 대해 무엇을 의미하는가? "일부 시나리오는 이 세 가지 매우 차가운 물체의 약한 열 광도에 맞지 않는다는 것이 첫눈에도 분명하다라고 천체 물리학자는 말했다. 따라서 보충적인 컴퓨터 분석에서 그들은 중성자별에 대한 81개의 일반적인 상태 방정식이 행동, 특히 세 가지 이상치의 급속한 냉각을 설명할 수 있는지 얼마나 잘 설명할 수 있는지 조사했다.

결과: "이 세 개의 차갑고 젊은 중성자별이 존재한다는 것만으로도 이용 가능한 상태 방정식의 상당 부분이 반박된다"고 Marino와 그의 팀은 보고했다. "최소 냉각 모델은 물체의 질량과 자기장에 관계없이 관찰을 설명할 수 없다. 따라서 테스트된 모든 모델의 75%는 급속 냉각을 위한 메커니즘을 포함하지 않기 때문에 제외된다.“

▲ 세 개의 젊은 중성자별의 급격한 냉각은 이국적인 입자나 (반)중성미자를 통한 가속 냉각으로 설명될 수 있다. © ESA/Marino et al.

어떤 모델이 남았나요?

무엇보다도 남은 것은 중성자별 내부에 이국적인 하이퍼론(다운 쿼크 대신 원자가 쿼크로서 하나 또는 두 개의 더 무거운 매력 쿼크를 운반하는 중성자)이 존재한다고 가정하는 상태 방정식이다. 또한 소위 Urca 과정에서 (반)중성미자의 강력한 방출이 냉각 과정을 가속화하는 모델도 여전히 실행 중이다.

"예를 들어 하이퍼론, 쿼크 또는 높은 대칭 에너지를 갖는 순수 핵물질을 통한 급속 냉각의 다양한 가능성에 대한 자세하고 포괄적인 분석은 이 연구 범위를 벗어나지만 생각할 이유를 제공한다"고 천체 물리학자들은 말했다. 이제 추가 연구를 위한 흥미로운 출발점이 보인다.

(Nature Astronomy, 2024; doi: 10.1038/s41550-024-02291-y)
출처:Nature Astronomy, European Space Agency (ESA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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