Sub-Millisecond Pulsars: Missing or Impossible?

지난 반세기 동안 천문학자들은 특정 부류의 우주 천체인 중성자별에 매료되어 왔습니다. 이들은 거대한 별이 폭발하여 남긴 붕괴된 핵으로, 단 한 티스푼의 무게가 10억 톤에 달할 정도로 밀도가 높은 물질의 구체입니다. 이들은 빠르게 회전하며 태어나는 경우가 많고, 동반성으로부터 물질을 빼앗아 두 번째 활력을 얻기도 하기 때문에, 많은 이들 중 상당수는 초당 수백 번씩 회전합니다. 밀리초 펄서라고 알려진 가장 빠른 것들은 마치 우주의 등대처럼 하늘을 가로지르며 전파 빔을 원자 시계에 필적하는 규칙성으로 훑습니다. 1982년 첫 번째와 같은 천체가 발견된 이후, 과학자들은 수백 개의 중성자별을 발견했으며, 그 회전 주기는 10밀리초에서 약 1.4밀리초까지 다양합니다. 이는 지속적이고 흥미로운 미스터리를 낳았습니다. 왜 지금까지 1.4밀리초보다 더 빠르게 회전하는 중성자별을 단 하나도 발견하지 못했는가 하는 점입니다. 중성자별이 더 빨리 돌지 못하게 막는 물리 법칙이 존재하는 것일까요, 아니면 단순히 우리의 망원경으로부터 숨어 있는 것일까요?

새로운 연구에서 천체물리학자 팀은 우리 우주에 대한 이해의 이 '잃어버린 고리'를 조사합니다. 연구진은 '서브 밀리초(sub-millisecond)' 펄서(1,000분의 1초 미만으로 회전하는 것)의 부재가 자연의 근본적인 한계 때문인지, 아니면 단순히 우리의 탐색 방법의 실패 때문인지를 결정하고자 했습니다. 그들은 알려진 펄서에 대한 상세한 관측과 이진 계(binary system) 내에서 중성자별이 어떻게 진화하는지에 대한 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 결합했습니다. 그들의 연구는 답이 단 하나의 장벽이 아니라, 우주적 비효율성의 조합이라는 점을 시사합니다. 연구는 물리 법칙이 중성자별이 이토록 빠르게 회전하는 것을 엄격히 금지하지는 않지만, 이들을 회전시키는 데 필요한 과정이 매우 비효율적이고 수명이 짧기 때문에 그러한 천체들이 믿기 힘들 정도로 희귀할 가능성이 높다고 주장합니다. 만약 존재한다면, 이들은 형성된 직후 거의 즉시 더 느린 속도로 회전하게 되어, 오래 지속되는 전파 신호로서 포착하기가 거의 불가능할 것입니다.

조사는 중성자별이 왜 더 빨리 돌지 못하는지에 대한 가장 명백한 이유들을 살펴보는 것으로 시작되었습니다. 한 가지 가능성은 별이 너무 빠르게 회전하면 스스로 흩어져 버리는 것으로, 이를 '원심력에 의한 파괴 지점(centrifugal break-up point)'이라고 합니다. 그러나 연구진은 대부분의 현실적인 중성자별 물질 모델에 대해 이 한계치가 현재의 기록보다 훨씬 높으며, 1밀리초 미만의 회전 속도를 허용한다는 것을 발견했습니다. 또 다른 주요 이론은 시공간의 물결인 중력파의 방출이 제동 장치 역할을 하여, 중성자별이 서브 밀리초 속도에 도달하기 전에 별의 회전 에너지를 소진시킨다는 것이었습니다. 이 메커니즘은 타당할 수 있지만, 연구팀은 현재의 관측 결과가 중력파가 우리가 아직 이 빠른 회전체들을 보지 못한 주요 원인이라는 강력한 증거를 제공하지 않는다는 것을 확인했습니다.

대신, 팀은 중성자별의 일생에 집중했습니다. 이토록 극단적인 속도에 도달하려면 중성자별은 '재활용(recycled)'되어야 합니다. 이는 중성자별이 이진 계의 일부로서 동반성으로부터 가스를 빨아들일 때 발생합니다. 이 가스가 중성자별로 떨어지면서 운동량을 전달하는데, 이는 마치 피겨 스케이트 선수가 팔을 몸 안으로 끌어당길 때와 같습니다. 연구진은 이 과정을 추적하기 위해 컴퓨터 모델을 사용하여 중성자별이 1밀리초의 회전에 도달하기 위해 얼마나 많은 질량을 흡수해야 하는지 계산했습니다. 그들은 별이 태양 질량의 약 4분의 1 정도 되는 상당한 양의 물질을 삼켜야 한다는 것을 발견했습니다. 이 요구 조건은 병목 현상을 만들어냅니다. 이만큼의 질량을 제공할 수 있는 동반성들은 대개 그 자체로 매우 무거우며, 빠르게 진화하고 물질을 매우 빠르게 전달합니다.

이 속도가 문제입니다. 질량이 큰 동반성들은 연료를 빠르게 태워버리고 단 몇 백만 년이라는 짧은 시간 동안만 질량을 전달합니다. 이는 중성자별이 1밀리초의 회전에 도달할 만큼 충분한 물질을 효율적으로 흡수하기에는 너무 짧은 시간입니다. 또한, 연구는 질량 유입(accretion) 과정이 완벽하게 효율적이지 않다는 점을 강조했습니다. 동반성으로부터 전달되는 물질 중 많은 양이 중성자별에 도달하기 전에 밖으로 날아가거나 손실됩니다. 연구진은 가장 빠른 알려진 펄서들이 보이는 시스템에서, 전달된 질량 중 실제로 중성자별에 도달하는 양은 약 20~30퍼센트에 불과하다는 것을 계산했습니다. 서브 밀리초 영역에 도달하려면, 시스템이 질량을 포착하는 데 믿기 힘들 정도로 효율적이어야 할 뿐만 아니라, 이를 제공할 수 있는 충분한 시간을 가진 기증자 별이 있어야 합니다. 이 두 가지 조건은 자연계에서 서로 상충하는 것처럼 보입니다.

연구팀은 또한 이러한 초고속 별들이 단순히 우리의 전파 망원경으로부터 숨어 있는 것인지도 고려했습니다. 그들은 우주 공간을 통과하는 전파 신호가 가스와 먼지에 의해 산란되는 방식이 서브 밀리초 펄스를 너무 희미하게 만들거나 뭉개뜨려 탐지를 어렵게 만드는지 확인하기 위해 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 이러한 효과가 매우 빠른 펄서를 찾는 것을 어렵게 만든다는 점은 확인했지만, 시뮬레이션 결과 만약 밝은 서브 밀리초 펄서가 근처에 존재했다면 현재의 장비로도 반드시 찾아냈을 것이라는 점을 보여주었습니다. 탐지되지 않는 이유는 탐색 방법의 결함 때문이 아니라, 해당 천체들이 실제로 유의미한 숫자로 존재하지 않기 때문입니다.

연구는 서브 밀리초 펄스의 부재가 중성자별이 어떻게 탄생하고 진화하는지의 자연스러운 결과라고 결론짓습니다. 짧은 수명의 질량 전달 단계와 비효율적인 질량 유입의 결합은 우주가 이러한 극단적인 천체들을 많이, 혹은 아예 생산하지 못한다는 것을 의미합니다. 만약 어떤 중성자별이 정말로 이만큼 빠르게 회전한다 하ㅏ면, 그것은 아주 짧은 순간 동안만 그렇게 할 뿐이며, 자기력이나 다른 토크에 의해 오늘날 우리가 관찰하는 일반적인 속도로 느려질 것입니다. 연구진은 또한 중성자별은 이 속도에 제한을 받는 것처럼 보이지만, 또 다른 유형의 붕괴된 별인 블랙홀은 동일한 경직된 구조를 가지고 있지 않으며 이론적으로 1밀리초 미만의 사건 지평선 주기로 회전할 수 있다는 점을 언급했습니다. 이 차이는 중성자별 물질의 특성에 국한된 한계임을 강조합니다.

궁극적으로, 이 연구는 사라진 대상을 찾는 것에서 벗어나 항성 진화의 제약 조건을 이해하는 데 초점을 맞춥니다. 우리가 서브 밀리초 펄스를 발견하지 못한 것은 관측의 실패가 아니라, 밀도 높은 물질과 이진 성 간의 상호작용에 관한 물리학에 대한 단서입니다. 이는 우주가 이러한 재활용된 별들에게 자연적인 속도 제한을 두고 있음을 말해줍니다. 이 제한은 물리적인 단단한 벽에 의한 것이 아니라, 별이 파트너에게 얼마나 오랫동안 그리고 얼마나 효율적으로 먹이를 공급할 수 있는지에 대한 실질적인 한계에 의해 설정됩니다. 만약 서브 밀리초 펄서가 존재한다면, 그것들은 아마도 매우 짧고 일시적인 천체로서, 너무 빠르게 회전하고 다시 느려지기 때문에 현재의 조사로는 보이지 않을 것입니다. 그리하여 1.4밀리초의 기록 보유자를 진정한 우주의 챔피언으로 남겨두게 됩니다.