Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

붕괴하는 별의 격렬한 심장부 깊은 곳에서, 초신성 폭발은 지구에서는 결코 볼 수 없었던 입자들을 탄생시킬 만큼 극단적인 조건을 만들어낸다. 이러한 가상의 입자들 중에는 일반적인 물질과 매우 약하게 상호작용하는 작고 유령 같은 존재인 액시온 유사 입자(axion-like particles)가 있다. 만약 이 입자들이 존재한다면, 이들은 폭발 후에 남겨진 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 잔해인 신생 중성자별 내부에서 엄청난 숫자로 생성될 것이다. 이 입자들 중 일부는 별을 탈출하여 우주로 날아갈 만큼 빠르지만, 다른 것들은 더 느리다. 이 느린 입자들은 중성자별의 강력한 중력을 벗어나지 못하고, 대신 별 주위를 궤도 비행하며 거대하고 보이지 않는 구름을 형성한다. 수십 년 동안 물리학자들은 이 갇힌 구름이 탐지될 수 있을지 궁금해해 왔다. 그 아이디어는 이 입자들이 결국 붕괴하면서 빛으로 변해, 오래되어 식어가는 중성자별의 표면을 가열할 것이라는 것이었다. 만약 우리가 이 추가적인 열을 측정할 수 있다면, 마침내 이 입자들이 존재한다는 것을 증명할 수 있을지도 모른다.

하지만 인도 루르켈라 국립 기술 연구소의 연구진에 의한 새로운 연구는, 별 자체가 마치 '우주의 진공청소기'처럼 작동한다는 것을 보여줌으로써 이 그림을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 연구진은 이전의 계산들이 결정적인 세부 사항을 간과했다는 사실을 깨달았다. 즉, 갇힌 입자들이 별 주위를 궤도 비행할 때 그 경로가 완벽하게 원형은 아니라는 점이다. 이들 중 상당수의 궤도는 별의 내부 깊숙이 파고든다. 별은 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 물질로 이루어져 있기 때문에, 안으로 뛰어드는 입자는 거의 즉시 밀도가 높은 핵 물질에 의해 흡수되어 파괴된다. 연구진은 입자가 수억 년 동안 생존하기 위해서는 별의 표면에 절대 닿지 않는 매우 특정한 넓은 궤도를 유지해야 한다고 계산했다. 이 발견은 갇힌 입자의 대다수가 붕료되어 별을 가열하기 훨씬 전에 사라진다는 것을 의미한다.

이 결론에 도달하기 위해 연구팀은 신생 중성자별이 탄생 후 첫 10초 동안 어떻게 진화하는지에 대한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했다. 그들은 별이 수축하고 식어감에 따라 수백만 개의 이러한 가상 입자들의 경로를 추적했다. 그들은 별의 중력이 입자의 궤도를 안쪽으로 끌어당겨, 많은 입자가 별과 충돌하게 만든다는 것을 발견했다. 일단 내부로 들어간 입자는 붕괴하는 데 걸리는 시간보다 훨씬 빠른 몇 분 또는 몇 초 만에 밀도가 높은 핵 물질에 의해 흡수된다. 살아남는 유일한 입자들은 별의 외곽층에서 태어나 적절한 속도와 방향을 갖추어 표면으로부터 멀리 떨어진 안전하고 원형인 궤도를 유지하는 것들뿐이다. 이 생존자들은 매우 드물며, 이전 이론들이 예측했던 열의 아주 작은 부분만을 보유하고 있다.

이 결과는 이 입자들이 빛과 어떻게 상호작용하는지에 대한 한계에 대한 대대적인 수정을 강요한다. 이전 연구들은 만약 이 입자들이 존재한다면, 이들이 오래된 중성자별을 우리가 쉽게 감지할 수 있는 온도로 가열할 것이라고 시사했다. 이번 연구는 대부분의 입자가 흡수된다는 것을 보여주었기 때문에, 가열 효과는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 약하다. 결과적으로, 가능한 범위에 대한 규칙이 바뀌었다. 연구진은 이 입자들이 생존하여 별을 가열할 수 있는 가능성의 작은 창이 여전히 존재하지만, 그 조건은 훨씬 더 엄격하다는 것을 발견했다. 입자들은 더 무거워야 하며, 다른 자연적인 효과들을 상쇄할 수 있는 매우 특정한 방식으로 빛과 상호작용해야 한다. 이러한 엄격한 조건에도 불구하고, 이 연구는 가장 오래되고 차가운 것으로 알려진 중성자별인 PSR J2144−3933이 특정 범위의 입자 질량을 배제한다는 것을 보여준다.

연구진은 또한 최종 중성자별의 크기가 결과에 어떤 영향을 미치는지 탐구했다. 그들은 별의 반지름이 결정적인 요소라는 것을 발견했는데, 별이 약간 더 크면 입자들이 표면에서 더 멀리 떨어져 궤도를 유지할 수 있어 더 많은 입자가 생존할 수 있기 때문이다. 그들의 시뮬레이션에 따르면, 별의 반지름을 불과 몇 킬로미터 바꾸는 것만으로도 생존하는 입자의 수를 거의 4배까지 변화시킬 수 있었다. 나아가, 그들은 별 내부에서 존재하는 입자의 일종인 파이온(pion)과의 상호작용을 통해 이 입자들이 어떻게 생성될 수 있는지에 대해서도 고려했다. 이러한 추가적인 과정들은 실제로 더 많은 입자가 생존하도록 도와, 이들이 존재할 수 있는 가능한 질량 범위를 넓히지만, 전반적인 가열 효과는 여전히 약하다.

궁극적으로, 이 작업은 이 입자들이 존재하지 않는다는 것을 증명하는 것이 아니라, 이들을 찾는 것이 우리가 희망했던 것보다 훨씬 더 어렵다는 것을 증명한다. 천문학자들이 찾고 있었던 '가열' 신호는 별이 입자들이 제 역할을 하기 전에 흡수해 버리기 때문에 현재의 망원경으로는 관측하기에 너무 희미할 가능성이 높다. 연구는 만약 이 입자들이 존재한다면, 매우 좁은 특성의 범위 안에 숨어 있을 것이며, 이를 찾아내기 위해서는 훨씬 더 민감한 망원경이나 다른 탐지 방법이 필요할 것이라고 시사한다. 연구진은 자신들의 결과가 중성자별이 어떻게 행동하는지에 대한 특정 모델에 의존한다는 점을 강조하며, 향후 이 별들에 대한 관측이 그림을 더욱 정교하게 만들 수 있다고 말한다. 현재로서는, 중성자별 주변의 유령 같은 입자 구름은 따뜻하게 빛나는 신호등이 아니라, 별의 굶주린 손길을 피해 살아남은 소수의 생존자 집합체이다.