1967년 최초 발견, 외계인이 보낸 신호로 생각...진지하게 외계인 논의
중성자별이 만들어내는 전자기파 방출, 중력파 발견으로 이어져
[문화뉴스 MHN 권성준 기자] 인류가 살고 있는 지구는 아주 축복받은 행성이다. 생명체가 살기 위한 조건인 물이 존재할 수 있는 영역에 있고 공전을 하는 항성 태양의 질량이 적당한 수준을 유지하고 있다. 이 외에도 수많은 조건이 있으며 그중 하나는 주변에 펄사와 같은 위험한 천체가 없다는 점이다.
펄사는 X선이나 감마선과 같은 강력한 전자기파를 방출하는 천체를 얘기한다. 만약 지구가 펄사의 영향권 안에 있었다면 강력한 전자기파에 의해 분자들이 전부 쪼개져 생명체는 고사하고 단백질과 같은 고분자 합성물도 만들지 못했을 것이다.
생명체의 관점에서 펄사는 끊임없이 총알을 뿜어내는 기관총과 같은 천체라고 보아도 무방할 것이다. 이 우주에서 블랙홀 다음으로 위험하다고 여겨지는 펄사, 펄사의 정체는 무엇일까?
펄사는 1967년 벨 버넬과 앤터니 휴이시에 의해 발견되었다. 그들은 전파 망원경을 통해 우주를 관측하던 중 어떤 천체에서 주기적으로 전파를 발생하는 천체를 발견하였다. 망원경 상으로는 다른 천체들과 달리 너무나 정교하고 빠른 주기로 깜빡이고 있었기 때문에 버넬과 휴이시는 이 신호가 외계인이 보내는 메시지일 것이라고 생각하였다.
실제로 당시 천문학계에서는 인위적이라고 생각이 들 정도로 깜빡이는 주기가 빠르고 일정하였기 때문에 외계인이 사용하는 등대라고 생각하기도 하였으며 펄사의 발견은 천문학자들이 외계인의 존재를 심각하게 고민하게 만들기도 하였다.
그러나 우주를 더 자세히 들여다보니 펄사의 존재는 우주 곳곳에 존재하였고 천문학자들은 외계인이란 생각을 접어두었다. 1968년 토머스 골드와 프랑코 파치니는 외계인 대신 회전하는 중성자별일 것이라는 생각을 하였다. 당시까지만 하더라도 중성자별의 존재는 이론상으로만 존재하던 것이다.
펄사가 발견되기 이전에 물리학자 수브라마니안 찬드라세카르가 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통해 일정 질량을 넘어가는 항성들은 붕괴할 시 백색왜성이 되지 못하고 중성자별이나 블랙홀이 됨을 이론적으로 예측한 바가 있었다.
원자는 전자와 양성자로 이루어져있으며 정해진 에너지 준위에 전자가 하나씩 들어갈 수 있다. 만약 전자가 차있는 준위에 같은 전자를 하나 더 넣으려 하면 들어가지 않으려고 하는 힘이 발생하는데 이를 축퇴력이라고 부른다.
실제 중성자별의 모습
질량이 큰, 다시 말해 중력이 강한 항성이 붕괴되어 수축하는데 중력의 세기가 이 축퇴압을 모조리 이겨버리고 전자를 당겨버린다. 전자는 원자핵에 도달하게 되고 이윽고 역 베타 붕괴를 일으키며 모조리 중성자로 변해버린다. 이렇게 중성자로만 이루어진 천체를 중성자별이라고 한다.
형성 과정부터 극단적으로 형성된 중성자별은 쉽사리 상상하기 어려운 성질을 띄기 시작한다. 일반적으로 천체는 회전하는데 중력에 의해 크기가 줄어들어 축소하면 행성 전체의 각운동량은 보존되므로 중성자별은 엄청난 회전 속도를 가진다. 피겨 스케이팅 선수가 얼음판 위에서 회전할 경우 팔을 폈다가 오므리면 속도가 줄어드는 것을 생각하면 된다.
중성자별은 거의 대부분 중성자로 이루어졌지만 반응을 하고 남은 전자와 같은 입자가 중성자별에 남아있을 수 있다. 이런 전하를 가지는 입자가 회전 운동을 하면 맥스웰 방정식에 따라 전자기파를 방출한다. 거기에 우주는 극저온 상태기 때문에 중성자별은 초전도 상태에 있으므로 전자는 저항을 느끼지 않고 중성자의 회전이랑 같이 움직인다.
중성자별의 엄청난 회전 에너지가 고스란히 전하의 회전 운동에 의해 전자기파의 형태로 변환되어 방출된다. 이 전자기파는 회전축을 따라 방출되며 고에너지의 전자기파는 다시 말해 X선 또는 감마선을 의미한다.
또 중성자별은 자전축을 중심으로 회전하는데 자전축은 또다시 세차운동이라는 원운동을 하고 있다. 만약 멀리 떨어진 지구에서 이 모습을 보면 자전축이 정확히 지구를 가리킬 때 방출하는 전자기파의 신호를 수신할 수 있다. 그래서 발견되는 펄사는 주기적으로 깜빡이고 있으며 세차운동의 주기도 매우 짧기 때문에 짧은 주기로 깜빡이는 것으로 보인다.
펄사는 과학사에서도 중요한 역할을 하였다. 펄사는 중성자별이 실존한다는 증거가 된다. 또한 펄사의 연구는 중력장과 중력파의 존재에 대한 강력한 간접적인 증거를 만들어내었으며 이후 LIGO 프로젝트를 실행하게 되는 계기가 되었고 결국 중력파의 집적 검출에 성공하게 된다.
펄사를 발견한 휴이시는 1974년 노벨 물리학상을 수상하게 된다. 첫 발견자는 버넬로 여겨지는데 버넬의 지도 교수였던 휴이시만 노벨상을 받은 것에 대해 제자의 업적을 가로챘다는 논란이 수도 없이 많이 일어나기도 하였다.
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[MHN과학] 외계인의 신호에서 중력파 발견까지? 1974 노벨 물리학상: 펄사
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중성자별이 만들어내는 전자기파 방출, 중력파 발견으로 이어져