Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

태양의 보호막인 버블 너머, 별들 사이의 고요한 심연 속에서 두 대의 우주선이 수십 년 동안 희미하고 지속적인 웅성거림을 듣고 있습니다. 이들은 인류가 만든 물체 중 최초로 진정한 성간 매질, 즉 별들 사이의 공간을 채우고 있는 가스와 먼지의 거대한 바다에 진입한 보이저 탐사선입니다. 1980년대 중반 이후, 그리고 태양권 계면(heliopause)이라 불리는 경계를 넘어선 후에도, 이들의 장비는 초당 약 3,000번의 주기로 진동하는 플라스마 진동(전하를 띤 가스의 물결)을 감지해 왔습니다. 40년 동안 과학자들은 이 우주적 소음의 근원을 밝히기 위해 노력해 왔습니다. 일부 이론은 이 물결이 우리 태양계의 가장자리를 때리는 태양 폭풍에 의해 발생한다고 제안했지만, 태양 활동이 잦아든 후에도 오랫동안 지속되는 신호의 원인이 우리 태양일 수 있다는 의구심은 커져만 갔습니다. 질문은 여전히 남아 있습니다. 저 깊은 어둠 속에서 무엇이 이 꾸준하고 낮은 주파수의 파동을 생성하고 있는 것일까요?

새로운 연구는 이 근원이 우리 태양계가 아니라, 죽어가는 별들의 격렬한 삶에 있다고 제안하며 파격적인 답을 제시합니다. 연구진인 프레스턴 존스, 프라가티 프라단, 더글러스 싱글턴은 중성자별에서 방출되는 중력파가 보이저가 듣고 있는 전자기 복사를 생성할 수 있다는 이론적 메커니즘을 탐구합니다. 중성자별은 거대한 별이 폭발한 후 남은 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 붕괴된 핵입니다. 이 중 일부 별들은 초당 수백 번씩 회전하며, 회전하는 과정에서 시공간의 구조에 중력파라고 불리는 물결을 보낼 수 있습니다. 논문은 이러한 중력파가 우주를 통과할 때 진공 자체와 상호작용하여 전자기 복사를 생성할 수 있다고 제안하며, 저자들은 이 과정을 '공생산(co-production)'이라고 부릅니다.

이 연결의 논리는 주파수와 관련된 구체적인 사건의 연쇄 과정에 기반합니다. 가장 빠르게 회전하는 중성자별은 초당 약 700번 회전할 수 있습니다. 만약 그러한 별이 중력파를 방출한다면, 이론적으로 그 중력파는 회전 속도의 두 배, 즉 초당 약 1,400번의 주기로 진동할 것입니다. 공생산 이론에 따르면, 이 중력파는 다시 자기 주파수의 두 배인 전자기파를 생성하게 됩니다. 그 결과 최종 신호는 초당 약 3,000번 진동하게 되며, 이는 보이저가 감지한 플라스마 진동의 정확한 주파수와 일치합니다. 이러한 수학적 일치는 왜 신호가 이 특정한 음조를 띠는지에 대한 설득력 있는 설명을 제공하며, 이는 기존의 태양 기반 이론들이 설명하기 어려워했던 세부 사항입니다.

하지만 저자들은 이것이 확정된 발견이 아니라 이론적 계산에 근거한 제안임을 주의 깊게 명시하고 있습니다. 그들은 중성자별이 보이저에 들릴 만큼 강한 신호를 생성하려면, 이론적 한계치인 약 150 파섹(약 490 광년) 이내에 위치해야 하며 매우 강력한 에너지를 가져야 한다고 계산했습니다. 논문은 카시오페아 A와 벨라 주니어(Vela Jr.)와 같은 초신성의 잔해를 그러한 강력한 중력파를 생성할 수 있는 유력한 후보로 지목했지만, 벨라 펄서 자체는 지구로부터 추정된 한계 거리의 약 두 배 정도 떨어져 있어 보이저의 특정 관측치를 설명하기에는 가능성이 낮다고 언급했습니다. 또한 연구진은 신호가 어떻게 수년간 지속될 수 있는지에 대해서도 고찰했습니다. 그들은 중성자별 이벤트의 초기 에너지 분출은 짧을 수 있지만, 그 결과로 생긴 성간 플라스마의 물결은 마치 종을 친 후에도 오랫동안 울려 퍼지는 종소리처럼, 별들 사이 공간의 독특한 특성에 의해 유지될 수 있다고 제안합니다.

이 연구는 또한 보이저가 관측한 더 넓은 맥락을 살펴봅니다. 우주선은 알려진 중성자별의 회전 속도가 갑자기 빨라지는 현상인 '글리치(glitch)'의 빈도와 대략 일치하는 비율로 고에너지 입자인 우주선을 감지해 왔습니다. 이러한 상관관계는 중성자별이 보이저가 목격하고 있는 활동의 근원이라는 아이디어에 무게를 실어줍니다. 만약 플라스마 진동이 정말로 중력파가 전파로 변환된 결과라면, 이는 보이저 탐사선이 현재 지구의 관측소들이 볼 수 없는 유형의 중력파를 감지하는 탐지기 역할을 하고 있음을 의미합니다. 기존의 탐지기들은 훨씬 낮은 주파수에 맞춰져 있어 이처럼 빠르고 높은 음조의 신호를 놓치게 됩니다.

저자들은 이 이론의 가장 강력한 증거는 초당 1,500회의 중력파 신호와 초당 3,000회의 플라스마 진동을 동시에 감지하는 것이라고 강조합니다. 그들은 보이저가 우주선 이벤트와 플라스마 진동을 기록했던 2017년 여름의 데이터를 검토했으며, 당시 중력파 신호가 보고되지 않았음을 주목했습니다. 그러나 논문은 이러한 감지 부재가 특정 탐색 창에서의 결정적인 부정적 결과라기보다는, 현재의 고주파 감도 한계를 벗어난 근원의 특성 때문이라는 점을 명확히 하고 있습니다. 결론적으로 이 논문은 증거가 아직 결정적이지는 않지만, 공생산 이론이 수십 년간 지속된 미스터리에 대해 물리적으로 일관되고 타당한 설명을 제공한다고 밝힙니다. 이는 보이저가 듣고 있는 웅성거림이 죽어가는 별의 회전이 물리 법칙에 의해 은하를 가로질러 여행할 수 있는 소리로 변형된 메아리임을 시사합니다.