Discovery of an Extremely Luminous Sporadic Radio Pulsar

우주의 차갑고 어두운 정적 속 깊은 곳에는 여전히 말을 하는 죽은 별들이 있습니다. 이들은 거대한 별이 폭발한 뒤 남겨진 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은, 도시 크기만 한 잔해인 중성자별입니다. 대부분의 중성자별은 빠르게 회전하며 우주를 향해 라디오파를 쏘아 올리는데, 이는 마치 등대와 같습니다. 이 빔이 지구를 스쳐 지나갈 때 우리는 규칙적인 펄스를 감지하며, 이로 인해 이들은 펄서(pulsar)라는 이름을 얻었습니다. 수십 년 동안 천문학자들은 이러한 우주의 시계들을 지도화하여 물리 법칙을 테스트하고 시공간의 구조를 측정하는 데 사용해 왔습니다. 하지만 모든 중성자별이 일정한 빛을 내는 신호등인 것은 아닙니다. 어떤 것들은 예측할 수 없는 폭발과 함께 불규칙하게 깜빡이거나, 긴 시간 동안 신호를 완전히 숨기기도 합니다. 이들은 회전하는 라디오 과도 현상(rotating radio transients), 즉 RRAT이라고 알려져 있습니다. 이들은 일정한 리듬으로 빛나지 않고 대신 산발적이고 무작위적인 번쩍임으로 속삭이기 때문에, 일정한 패턴을 찾는 망원경으로는 발견하기가 어렵습니다. 이 미묘한 천체들을 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이들이 또 다른 종류의 우주적 미스터리인 빠른 전파 폭발(fast radio bursts)의 열쇠를 쥐고 있을 수도 있기 때문입니다. 빠른 전파 폭반은 먼 은하에서 오는 강력한 밀리초 단위의 라디오 에너지 번쩍임이며, 그 기원이 여전히 천문학의 가장 큰 수수께끼 중 하나로 남아 있는 가운데, 많은 과학자는 이것이 이 불규칙한 중성자별의 행동과 관련이 있다고 의심하고 있습니다.

캐나다 브리티시 컬럼비아에 위치한 거대한 라디오 망원경인 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME)을 사용하는 천문학자 팀은 이제 지금까지 기록된 것 중 가장 밝은 사례의 불규칙한 별을 발견했습니다. 그들은 우리 은하 내 약 1,600광년 떨어진 곳에 위치한 PSR J2108+5055라는 이름의 중성자별을 찾아냈습니다. 이 별은 진정한 예외적인 존재입니다. 대부분의 펄서가 일정한 흐름의 라디오파를 방출하는 반면, 이 별은 모드 전환형(mode-changer)으로, 거의 침묵하는 조용한 상태와 강력한 펄스를 쏟아내는 밝은 상태 사이를 전환합니다. 연구진은 수년간 2,000개 이상의 이러한 펄스를 감지했지만, 이 별의 행동이 너무 불규칙하여 일정한 신호를 찾던 이전의 조사들에서는 보이지 않았습니다. 가장 놀라운 발견은 그 밝은 번쩍임의 엄청난 위력입니다. 연구팀은 단일 펄스의 정점 밝기를 라디오 강도의 단위인 3.1 킬로잔스키(kilojanskys)로 측정했습니다. 이를 설명하자면, 만약 이 별을 우리 국부 은하군(Local Group)의 가장자리에 놓아둔다 하더라도, 중국의 거대한 망원경인 FAST는 여전히 이 별의 가장 밝은 번쩍임을 감지할 수 있을 것입니다. 이는 PSR J2108+5055가 알려진 회전하는 라디오 과도 현상 중 가장 밝으며, 동종의 다른 모든 별들을 상당한 차이로 압도한다는 것을 의미합니다.

이 발견은 순탄치 않았습니다. 사용된 망원경인 CHIME은 지구가 자전함에 따라 하늘의 넓은 영역을 스캔하도록 설계되었지만, 전통적인 망원경처럼 개별 천체를 추적하지는 않습니다. 이는 데이터가 복잡하다는 것을 의미하며, 이 별의 펄스들은 종종 망원경 시야의 가장자리인 감도가 낮은 영역인 '사이드 로브(side lobes)'에서 포착되었습니다. 연구진은 이 신호들을 보정하고 펄스가 실제로 하나의 회전하는 소스에서 오는 것임을 확인하기 위해 새로운 방법을 개발해야 했습니다. 그들은 이 별이 0.495초마다 한 번씩 회전하며 강력한 자기장을 가지고 있다는 것을 발견했지만, 이 별은 거의 아무것도 방출하지 않는 '널링(nulling)' 모드에서 대부분의 시간을 보냅니다. 별이 깨어날 때, 그것은 두 가지 뚜렷한 밝기 모드 사이를 전환합니다. 하나는 어두운 모드이고, 다른 하나는 믿을 수 없을 정도로 밝은 모드로, 밝은 펄스는 어두운 펄스보다 약 20배 더 강합니다. 연구진은 또한 별의 펄스가 어떤 모드에 있느냐에 따라 도착 시간이 약간씩 달라진다는 점을 발견했으며, 이는 별의 진정한 리듬을 풀어내는 데 도움을 준 미묘한 단서가 되었습니다.

이 발견이 매우 중요한 이유는 이것이 우리 은하 내의 중성자별 집단에 대해 시사하는 바 때문입니다. 일정한 신호나 짧은 폭발을 찾던 이전의 조사들은 이 별이 전형적인 펄서처럼 행동하지 않기 때문에 이 별을 통째로 놓쳤을 가능성이 큽니다. 연구진은 단순한 모델을 사용하여 하늘에 숨어 있을 법한 이와 같은 별이 얼마나 더 있을지 추정했습니다. 그들은 전통적인 방식으로는 감지되지 않은 채 숨어 있는 이처럼 매우 밝고 산발적인 소스가 수십 개, 어쩌면 약 80개 정도 있을 수 있다고 결 결론지었습니다. 이는 우주가 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 많은 이러한 '숨어 있는' 거인들로 가득 차 있음을 암시하며, 이들을 찾기 위해서는 새로운 장기 조사(long-duration surveys)가 필요함을 보여줍니다. 또한 이 연구는 이 별을 빠른 전파 폭발의 맥락 속에 위치시킵니다. PSR J2108+5055의 펄스는 매우 밝기는 하지만, 다른 은하에서 오는 빠른 전파 폭발에 비하면 여전히 너무 약합니다. 그러나 우리 집 앞마당에 있는 중성자별이 이토록 강렬한 밀리초 단위의 번쩍임을 만들어낼 수 있다는 사실은, 이 별 내부의 기계 장치가 일반적인 펄서와 신비로운 빠른 전파 폭발 사이의 간극을 메울 수 있는 규모의 에너지를 생성할 능력이 있음을 보여줍니다.

연구진은 또한 엑스선이나 가시광선과 같은 다른 스펙트럼 영역에서도 이 별을 찾아보았으나 아무것도 발견하지 못했습니다. 이는 이 별이 순수한 라디오 방출체임을 확인시켜 주며, 가시적인 대응물이나 강한 엑스선 광휘가 없다는 것을 보여주는데, 이는 이러한 유형의 천체에서 전형적인 특징입니다. 별의 회전과 시간이 지남에 따라 얼마나 느려지는지를 측정함으로써, 연구진은 이 별이 약 1,200만 년 되었으며 표면 자기장이 지구보다 수십억 배 더 강하다는 것을 계산했습니다. 별이 회전하면서 잃는 에너지는 활동적인 짧은 순간 동안 놀라울 정도로 높은 효율로 라디오파로 변환됩니다. 이 발견은 빠른 전파 폭발의 미스터리를 해결하는 것은 아니지만, 중성자별이 무엇을 할 수 있는지에 대한 우리의 이해를 확장합니다. 이는 우리 은하 안에서도 우리의 기대를 뛰어넘는 극단적인 천체들이 존재하며, 잠시 눈부시게 빛나다가 다시 어둠 속으로 사라질 수 있음을 보여줍니다. 새로운 망원경들이 가동되고 조사가 더 민감해짐에 따라, 천문학자들은 오직 속삭임으로만 말하는 이 숨겨진 고출력 과도 현상들을 더 많이 발견하게 될 것으로 기대하고 있습니다.