Bayesian approach study of hybrid neutron stars

우주 깊은 곳, 인류의 망원경이 닿지 않는 먼 곳에는 우주에서 가장 극단적인 천체 중 하나인 중성자별이 존재합니다. 이들은 죽어가는 거대 항성의 붕괴된 핵으로, 지름은 약 20킬로미터에 불과하지만 우리 태양 전체보다 더 많은 질량을 압축해 놓은 형태입니다. 그 내부에서는 중력이 물질을 너무나 강력하게 압착하여 원자조차도 부서지게 만들며, 그 결과 양성자와 중성자로 이루어진 조밀한 '수프' 상태를 남깁니다. 수십 년 동안 물리학자들은 이 압력이 더 나아가서 양성자와 중성자를 각각의 근본적인 구성 요소인 쿼크(quark)로 분해할 수 있는지 의문을 품어 왔습니다. 만약 이것이 실제로 일어난다면, 별의 핵은 새로운 상태의 물질로 변하여 과학자들이 '하이브리드 별(hybrid star)'이라 부르는 것, 즉 일반적인 핵물질 껍질로 둘러싸인 자유 유동 쿼크 핵을 가진 천체가 될 것입니다. 이러한 이색적인 핵이 존재하는지를 밝혀내는 것은 현대 천체물리학의 거대한 과제 중 하나인데, 이는 지구상의 어떤 실험실에서도 재현할 수 없는 조건에서 물질이 어떻게 행동하는지를 보여줄 것이기 때문입니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 한 연구팀은 베이즈 분석(Bayesian analysis)이라고 알려진 강력한 통계적 방법을 활용했습니다. 어떤 물질 모델이 옳을지 추측하는 대신, 그들은 첨단 기구들로부터 수집된 실제 데이터에 대해 여러 가지 서로 다른 이론들을 검증하는 방식으로 이 접근법을 사용했습니다. 연구진은 중성자별의 질량과 크기 측정값에 집중했는데, 이 데이터는 충돌하는 별들에 의해 발생하는 시공간의 물결을 감지하는 중력파 검출기와 회전하는 별에서 나오는 빛의 맥동을 측정하는 X선 망원경으로부터 수집되었습니다. 연구진은 이 별들의 컴퓨터 모델을 구축하며, 각 별에 대해 두 개의 뚜렷한 층을 만들었습니다. 즉, 일반적인 핵물질로 이루어진 외각 껍질과 비구속(deconfined) 쿼크 물질로 이루어진 중심 핵입니다. 그들은 입자들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 약간씩 다른 가정을 바탕으로 외각 껍을 설명하는 세 가지 서로 다른 방식을 테스트했으며, 이를 쿼크가 서로 밀어내는 방식과 쿼크가 구속되는 방식에 대한 특정 매개변수를 포함한 쿼크 핵 모델과 결합했습니다.

그 후 연구팀은 엄격한 제거 과정을 통해 모델을 실행했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션이 실제 중성자별의 관측된 질량 및 크기와 일치할 수 있도록 하는 쿼크 핵의 특정 설정값을 찾도록 했습니다. 결정적으로, 그들은 이 별들이 안정성을 유지할 수 있는지, 그리고 일반 물질에서 쿼크 물질로의 전이가 물리적으로 타당한 밀도에서 일어나는지를 확인했습니다. 결과는 매우 구체적인 결론을 가리켰습니다. 특정 외각 껍질의 묘사와 쿼크 핵의 특정 규칙을 결합한 가장 성공적인 모델은, 쿼크 물질로의 상전이가 일반 원자핵 밀도의 두 배 미만에서 일어날 수 있음을 시사했습니다. 이 발견은 하이브리드 별이 큰 쿼크 핵을 가진 구성이 가능하다는 점을 암시하지만, 이 특정 모델이 다른 대안들보다 우세하다는 통계적 증거는 아직 결정적이지 않습니다.

그러나 이 연구는 다른 가능성들에 대한 상당한 어려움 또한 강조했습니다. 연구진이 외각 껍질에 하이퍼론(hyperon)이라 불리는 기이한 입자들을 포함하는 모델을 테스트하거나, 핵물질에 대한 서로 다른 수학적 묘사를 사용했을 때, 생성된 별들은 종종 관측된 데이터와 일치하지 않거나 알려진 물리적 한계를 위반했습니다. 특히 하이퍼론을 포함한 많은 대안 모델들은 별이 너무 '부드럽거나(soft)' 혹은 너무 '딱딱하거나(stiff)' 혹은 쿼크 물질로의 전이가 필요한 질량에 도달하기 전에 별이 붕괴될 정도로 높은 밀도에서 일어날 것을 예측했습니다. 분석 결과, 하이퍼론 모델들이 이론적 가능성으로서 완전히 배제된 것은 아니었으나, 섭동 양자 색역학(pQCD)에서 유도된 특정 제약 조건들을 위반했다는 사실이 드러났습니다. 오직 좁은 범위의 쿼크 핵 매개변수만이 최근의 천문학적 관측치와 일치하면서도 안정적인 별을 만들어낼 수 있었지만, 가장 잘 맞는 모델조차도 이론적 한계와 어느 정도의 긴장 관계를 보였습니다.

연구진은 가장 잘 맞는 모델이 일반 핵 밀도의 약 1.9배에서 쿼크 물질로의 전이가 일어날 것으로 예측한다는 것을 발견했습니다. 이 지점에서 별의 핵은 그 본질이 변하기 시작하며, 내부에 거대한 쿼크 물질 영역을 형성하게 됩니다. 연구는 이러한 하이브리드 별이 약 12킬로미터의 반지름을 가지며, 태양 질량의 약 2.1배까지의 질량을 지탱할 수 있다고 나타냅니다. 이러한 값들은 2 태양 질량 이상의 무게를 가진 PSR J0740+6620과 같이 우리가 관측한 가장 무거운 중성자별들과 일치하지만, 연구는 최적의 모델이 특정 pQCD 제약 조건을 여전히 위반하고 있다는 점을 언급했습니다. 이 결과는 이러한 거대 항성의 내부가 극단적인 압력이 물질의 근본적인 변화를 강요하는 복잡한 상(phase)의 혼합물일 가능성이 높다는 것을 시사합니다.

이 연구는 은하계에서 가장 밀도가 높은 천체들의 숨겨진 내부를 더 명확한 그림으로 보여주는 동시에, 현재 지식의 한계 또한 강조합니다. 연구진은 전이가 일어나는 정확한 순간이 별의 외각 껍질에 사용된 특정 모델에 크게 의존한다는 점을 언급했습니다. 어떤 모델은 전이가 더 일찍 일어난다고 제안했고, 다른 모델은 이를 더 높은 밀도로 밀어냈지만, 오직 하나의 조합만이 천문학적 데이터로부터 얻은 대부분의 제약 조건을 만족했습니다. 비록 그 모델이 특정 pQCD 다이어그램에서 제약 조건을 위반했음에도 불구하고 말입니다. 연구팀은 또한 동반성(companion star)의 중력에 의해 별의 모양이 어떻게 변하는지, 즉 '조석 변형성(tidal deformability)'이라는 특성을 조사했습니다. 그들의 결과는 가장 성공적인 모델들이 2017년 두 중성자별의 충돌에서 감지된 중력파와 일치하는 방식으로 별이 변형된다는 것을 보여주었습니다.

궁극적으로 이 작업은 우주에서 가장 밀도가 높은 천체들의 숨겨진 내부를 더 명확하게 보여줍니다. 정밀한 천문학적 측정치와 정교한 통계적 도구를 결합함으로써, 연구진은 중성자별의 심장부에 무엇이 있는지에 대한 가능성을 좁혔습니다. 그들은 일반 물질과 쿼크 물질 사이의 전이를 지배하는 법칙이 특정 경로를 따른다면, 거대한 쿼크 핵이 이 우주적 거인들의 타당한 특징이 될 수 있음을 보여주었습니다. 비록 이 특정 시나리오에 대한 통계적 증거가 아직 확정적이지는 않지만 말입니다. 이는 모든 중성자별이 쿼크 핵을 가지고 있다는 것을 증명하는 것은 아니지만, 그러한 구성이 우리가 현재 알고 있는 우주의 많은 사실과 부합한다는 것을 입증합니다. 더 민감한 기구들로부터 새로운 데이터가 도착함에 따라, 이 모델들은 더욱 검증될 것이며, 잠재적으로 존재의 끝자락에 있는 물질의 참된 본질을 밝혀낼 것입니다.