Magnus mountains on spinning neutron stars

우주를 물리 법칙이 극한까지 확장되는 거대한 우주적 놀이터라고 상상해 보십시오. 이 놀이터에는 중성자별이라고 불리는 천체들이 있습니다. 이들은 죽은 별의 붕괴된 핵으로, 너무나도 밀도가 높아서 이 물질을 단 한 티스푼만 떠도 산 하나만큼의 무게가 나갑니다. 너무나 밀도가 높기 때문에, 이 안의 물질은 지구상의 어떤 실험실에서도 재현할 수 없는 방식으로 행동합니다. 과학자들은 이 별들의 깊은 내부에서 중성자가 초유체(마찰이 없어 영원히 회전하며 속도가 줄어들지 않는 액체)처럼 흐르고 있다고 믿습니다.

이제 이 초유체가 딱딱한 사탕 껍질 같은 고체 껍질 내부에서 회전하고 있다고 상상해 보십시오. 별이 회전함에 따라 초유체는 계속 움직이고 싶어 하지만, 고체 껍질(지각)은 자기력 때문에 속도가 느려지고 있습니다. 이로 인해 줄다리기가 발생합니다. 초유체는 눈에 보이지 않는 작은 지점들에 고체 껍질에 "걸리게" 되어 시차(lag)를 만듭니다. 이 논문은 이 걸려 있는 초유체가 지각을 밀어내며 별의 모양을 변형시키려 할 때 어떤 일이 일어나는지 탐구합니다. 만약 별이 충분히 울퉁불퉁해진다면, 이 별은 시공간의 물결인 중력파를 내뿜는 우주의 등대 역할을 할 수 있습니다. 중력파를 감지하는 것은 우주의 심장 박동을 듣는 것과 같으며, 극한의 압력 아래에 있는 물질에 대한 비밀을 우리에게 알려줄 것입니다.

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우주의 "마그누스 산"

이 연구에서 사우샘프턴 대학교의 야샤스위 강가르(Yashaswi Gangwar)와 디. 아이. 존스(D.I. Jones) 연구진은 재미있고 물리적인 질문을 던집니다: 회전하는 중성자 내부의 보이지 않는 힘이 산을 만들 수 있을까?

그들은 암석이나 흙으로 된 산을 말하는 것이 아닙니다. 그들은 "마그누스 산(Magnus mountain)"에 대해 이야기하고 있습니다. 이를 이해하려면 회전하는 야구공을 생각해 보십시오. 투수가 커브볼을 던질 때, 회전하는 공은 주변의 공기를 끌어당겨 공을 옆으로 밀어내는 힘을 만들어냅니다. 이것을 마그누스 효과라고 합니다. 중성자별 내부에서 "공"은 초유체이고, "공기"는 고체 지각입니다. 초유체가 지칙의 불규씩하고 불균일한 방식으로 지각에 걸리거나(pinned) 고정될 때, 이는 옆으로 미는 힘인 마그누스 힘을 만들어내며 별을 찌그러뜨리거나 늘리려고 시도합니다.

저자들은 이 힘이 실제로 별을 변형시킬 만큼 강력한지 알아보기 위해 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 별을 구체가 아니라 무한히 긴 원통(거대한 우주적 탄산음료 캔과 같은 형태)으로 가정하여 문제를 단순화했습니다. 이 캔 내부에는 두 가지 유체를 모델링했습니다: 초유체 중성자 성분과 고체 지각을 구성하는 전하를 띤 성분(양성자와 전자)입니다.

연구 결과

연구팀은 초유체가 밀어낼 때 지각이 어떻게 반응하는지 보기 위해 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들의 "우주적 탄산음료 캔"이 밝혀낸 내용은 다음과 같습니다:

• 힘은 실재하며 강력하다: 시뮬레이션 결과, 마그누스 힘은 별의 표면에 상당한 혹을 만들 만큼 강력한 것으로 나타났습니다. 그들은 이 "산"이 질량 사중극자(별이 얼마나 울퉁불퉁한지를 나타내는 척도)를 10⁻⁵만큼 크게 만들 수 있다고 계산했습니다. 이를 체감하기 위해 설명하자면, 이는 10만 분의 1 정도의 변형입니다. 작게 들릴 수도 있지만, 도시 크기의 별에게 이것은 거대하고 울퉁불퉁한 봉우리입니다.
• "전류" 산은 없다: 흥별하게도, 별의 질량은 울퉁불퉁해지지만 별 내부의 전류는 유사한 흔들림을 만들어내지 않는다는 것을 발견했습니다. 그들의 모델에서 "전류 사중극자"는 0이었습니다.
• 한계는 지각에 있다: 산의 크기는 초유체의 밀어내는 힘에 의해 제한되는 것이 아니라, 지각 자체의 강도에 의해 결정됩니다. 산은 지각이 깨지거나 초유체가 탈착(unpinning)되어 별의 회전 속도를 늦출 때까지 자라날 것입니다. 저자들은 만약 지각이 충분히 강하다면, 이러한 산들이 현재 및 미래의 중력파 탐지기에 의해 감지될 수 있을 만큼 커질 수 있다고 제안합니다.

연구 방법

연구진은 단순히 추측한 것이 아니라, 유체가 어떻게 움직이고 탄성 지각이 어떻게 늘어나는지를 설명하는 복잡한 방정식들을 풀었습니다. 그들은 수학적 처리를 용이하게 하기 위해 별을 원통형으로 취급했으며, 사중극자 형태를 만드는 특정 유형의 흔들림(m=2 모드)에 집중했습니다.

그들은 결과를 "대략적인 계산(back-of-the-envelope estimates, 빠르고 거친 계산)"과 비교 검증했으며, 상세한 컴퓨터 시뮬레이션이 이와 잘 일치한다는 것을 확인했습니다. 또한 지각이 스트레스 하에서 부서질지 여부도 확인했습니다. 표준 공학 규칙인 본 미세스 기준(von Mises criterion)을 사용하여, 별이 너무 빠르게 회전하거나 지각이 너무 약하지 않다면 지각이 산을 파괴하지 않고 견딜 수 있다는 것을 발견했습니다.

결론

이 논문은 회전하는 중성자별에 "마그누스 산"이 존재할 가능성이 매우 높다는 점을 시사합니다. 만약 이러한 산들이 존재한다면, 그것들은 현재 우리가 찾아 헤매고 있는 연속적인 중력파의 근원이 될 수 있습니다. 저자들은 이것이 단순화된 모델(구체가 아닌 원통 사용)이지만, 물리학적으로 가능하다는 것을 입증한다고 강조합니다. 이는 죽은 별 내부의 초유체가 벌이는 보이지 않는 춤이 시공 공간의 물결을 통해 어떻게 우주 전체에 자신의 존재를 알리고 있는지 이해하는 데 있어 유망한 단계입니다.