Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

우주 깊은 곳, 어떤 망원경이나 우주선도 닿을 수 없는 먼 곳에는 우주에서 가장 극단적인 실험실인 중성자별이 존재합니다. 이들은 죽어버린 거대 항성의 붕괴된 핵으로, 단 한 티스푼의 물질이 산 하나만큼의 무게를 가질 정도로 압착되어 있습니다. 이 항성 잔해의 내부에서는 압력이 상상을 초월할 정도로 높아서 물질 자체가 분해될 수 있습니다. 보통 물질을 결합하는 양성자와 중성자가 쿼크라고 알려진 더 작은 구성 요소들의 '수프' 상태로 녹아버릴 수도 있는 것입니다. 쿼크가 입자 안에 갇혀 있지 않고 자유롭게 돌아다니는 이 가설적인 물질 상태를 쿼크 물질이라고 부릅니다. 만약 이것이 존재한다면, 이는 이국적인 쿼크 물질의 핵이 일반적인 핵 물질의 껍질로 둘러싸인 하이브리드 별, 즉 코스믹 오브젝트(cosmic object)를 형성하게 될 것입니다. 이러한 별들이 존재하는지, 그리고 어떤 모습인지 이해하는 것은 현대 천체물리학의 거대한 과제 중 하나인데, 이는 자연이 가능한 가장 극단적인 조건 하에서 어떻게 행동하는지를 밝혀줄 것이기 때문입니다.

수년 동안 과학자들은 이론적 모델과 실제 관측 데이터를 결합하여 이 별들의 내부 구조를 파악하기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 중성자별 표면에서 튕겨 나오는 X선을 관찰하는 망원경의 데이터와, 두 중성자별이 충돌할 때 발생하는 시공간의 물결을 듣는 중력파 검출기의 데이터를 보유하고 있습니다. 최근 연구에서 포르투갈 코임브라 대학교의 연구팀은 이 수수께끼를 다시 검토했습니다. 그들은 이전에 가장 무거운 중성자별이 반드시 거대한 이국적인 쿼크 핵을 포함해야 한다는 모델 세트를 만든 적이 있습니다. 그러나 그들의 새로운 작업은 다른 질문을 던졌습니다. 만약 쿼크 핵이 훨씬 작거나, 심지어 거의 존재하지 않는다면 어떨까? 쿼크 핵이 거대해야 한다는 엄격한 요구 조건을 완화함으로써, 그들은 최신 천문학적 측정치와 훨씬 더 잘 일치하는 새로운 가능성들을 생성해 냈습니다.

연구진은 수천 가지의 가능한 시나리오를 걸러내기 위해 강력한 통계적 방법을 사용했습니다. 그들은 모델을 위한 두 가지 주요 재료, 즉 별의 외층에 있는 일반적인 물질에 대한 설명과 중심부에 있을 잠재적인 쿼크 물질에 대한 설명을 가지고 시작했습니다. 그런 다음 이 모델들을 엄격한 실측 데이터 체크리스트와 대조했습니다. 이 체크리스트에는 핵 물질의 알려진 특성, NICER X선 망원경에 의해 관측된 몇몇 특정 중성자별의 정밀한 질량과 크기, 그리고 LIGO와 Virgo 관측소에 의해 탐지된 두 중성자별 사이의 충돌에 대한 세부 정보가 포함되었습니다. 이전 연구에서 그들은 모델이 거대한 쿼크 핵을 가진 별을 생성하도록 강제했으며, 이는 일반 물질에서 쿼크 물질로의 전이를 상대적으로 낮은 밀도에서 일어나게 했습니다. 이번 새로운 연구에서 그들은 그 특정 제한을 제거했습니다. 그들은 여다면 무거운 별들이 내부에 일부 쿼크 물질을 가지고 있어야 한다는 점은 여전히 요구했지만, 그 핵의 크기가 아주 작든 크든 상관없이 데이터가 무엇이 가장 가능성 높은지를 결정하도록 허용했습니다.

새로운 접근 방식의 결과는 놀라웠습니다. 연구팀이 "SmallQ" 세트라고 명명한, 더 작은 쿼크 핵을 허용하는 모델들은 이전 모델들보다 반지름이 약간 더 작고 변형이 덜 되는 중성자별을 만들어냈습니다. 이는 새로운 모델들이 NICER 망원경의 실제 관측값 및 중력파 데이터와 훨씬 더 잘 들어맞게 만들었습니다. 거대한 핵을 가진 이전 모델들에서는 쿼크 물질로의 전이가 일반 원자핵 밀도의 약 2배에서 2.5배 사이에서 발생했습니다. 더 성공적이었던 새로운 모델들에서는 이 전이가 별의 훨씬 더 깊은 곳으로 밀려나, 일반 핵 밀도의 3배에서 4.5배 사이의 밀도에서 발생했습니다. 이러한 전이의 지연은 별의 일반 물질 껍질을 더 두껍게 만들며, 이국적인 핵을 더 작게 만들거나 경우에 따라서는 가장 무거운 별에서조차 거의 존재하지 않게 만듭니다.

이러한 상전이 타이밍의 변화는 또한 별의 내부 구성을 변화시켰습니다. 거대한 핵을 가진 모델들에서는 쿼크 물질이 업(up) 쿼크와 다운(down) 쿼크에 의해 지배되었습니다. 더 작은 핵을 가진 새로운 모델들에서는 더 무거운 종류의 쿼크인 스트레인지(strange) 쿼크가 훨씬 더 풍부해져서 핵 구성의 더 큰 부분을 차지하게 되었습니다. 흥 nghiệm스럽게도, 새로운 모델들은 태양 질량의 두 배에 달하는 가장 무거운 중성자별 중 일부는 쿼크 물질을 거의 또는 전혀 포함하지 않을 수도 있음을 시사합니다. 이는 가장 무거운 별들이 반드시 이국적인 물질에 의해 지배되어야 한다는 생각에 도전하는 것입니다. 대신, 이는 쿼크 물질로의 전이가 극도로 높은 압력 하에서만 일어나는 드문 사건이거나, 혹은 우리가 관측한 가장 무거운 별들 중 일부에서는 아예 일어나지 않을 수도 있음을 시사합니다.

연구는 또한 중성자별의 질량이 증가함에 따라 크기가 어떻게 변하는지도 살펴보았습니다. 일반적인 물질로만 이루어진 별의 경우, 별이 무거워질수록 반지름은 줄어드는 경향이 있습니다. 이국적인 물질을 가진 별의 경우, 그 관계는 더 복합적일 수 있습니다. 연구진은 새로운 모델 세트에서 상당수의 별들이 낮은 질량에서 질량이 늘어남에 따라 약간 커지는 양(+)의 기울기를 보였다는 것을 발견했습니다. 그러나 태양 질량의 1.8배에 도달하면, 이 모델들의 대다수는 예상되는 대로 다시 수축하는 행동으로 돌아갔습니다. 이는 매우 중요한 차이인데, 거대한 핵을 가진 이전 모델들에서는 이 높은 질량에서도 양의 기울기가 흔히 나타났기 때문입니다. 새로운 모델들이 높은 질량에서 표준적인 수축 행동을 보이면서도 관측된 데이터를 잘 설명한다는 사실은, 우리가 보는 별들을 설명하기 위해 거대한 쿼크 핵의 존재가 반드시 필요하지는 않다는 것을 시사합니다.

궁극적으로, 이 작업은 우주에서 가장 밀도가 높은 물질에 대한 우리의 이해를 정교하게 만듭니다. 쿼크 핵의 크기를 거대하게 강제하는 대신 자유롭게 변하도록 허용함으로써, 연구진은 우리가 관측하는 우주와 더 일치하는 모델 세트를 찾아냈습니다. 이 모델들은 만약 중성자별의 심장부에 쿼크 물질이 존재한다면, 그것은 아마도 밀도가 극한 수준에 도달했을 때만 나타나는 아주 작은 영역에 국한될 것임을 시사합니다. 이 발견은 쿼크 물질의 존재를 부정하는 것은 아니지만, 이 이국적인 상태로의 전이가 이전에 생각했던 것보다 달성하기 더 어려운 일임을 시사합니다. 천문학자들이 중성자별의 크기와 질량에 대한 더 정밀한 데이터를 계속 수집함에 따라, 이 정교해진 모델들은 이 거대한 별들의 핵이 오랫동안 이론화되어 온 기이하고 자유롭게 돌아다니는 쿼크로 만들어졌는지, 아니면 우리 세계를 구성하는 익숙한 물질로 그대로 남아있는지를 판별하는 데 중요한 길잡이 역할을 할 것입니다.