자연에 존재하는 중성자 세계는 어떤 모습일까?
미국 항공우주국인 나사(NASA)에서 발표한 소식에 의하면, 한 중성자별 (Neutron Star) 표면에서 28차례 열핵폭발(thermonuclear blast)이 연속 발생한 기간에 과학자들은 유럽 우주국(ESA)의 탐사위성을 이용하여 이 신비한 중성자별에 대해 여러 가지 중요한 결과를 얻었다.
중성자별이란 중성자(Neutron)로 구성된 밀도가 매우 높은 별이다.
중성자는 양성자와 함께 원자핵을 이루고 있고 전하를 띄고 있지 않다. 그래서 중성자끼리 서로 밀어내지 않아서 뭉칠 수 있다. 중성자 사이의 거리와 무게로부터 중성자별의 밀도를 계산해 보면 지구상의 어떤 단단한 물체보다 아주 놀랄 만큼 무겁다. 예를 들면 어떤 한 중성자별의 밀도는 지구 밀도의 약 100만 억 배 정도인데, 성냥갑 크기의 중성자별 하나의 질량은 몇 십억 톤에 달한다. 이렇게 질량이 크고 반경이 짧으므로 여러 신비한 일들이 일어나는 것을 관측할 수 있다.
이번에 측정한 중성자별은 쌍둥이별 계통의 EXO 0748-676의 한 부분인데, 날치성좌(Flying fish)에 자리 잡고 있다. 과학자들은 이 중성자별의 질량은 태양의 약 1.5배이며 직경은 16 km 정도로 추정한다. 이렇게 중성자간의 거리가 짧아지면 중성자 초유체가 형성되는데 초유체(超流體, superfluid)란 마찰이 전혀 없는 유체를 가리킨다.
진 코탐(Jean Cottam) 박사와 그의 연구팀에서 최초로 이 중성자별의 질량과 반경의 비율을 얻었는데, 이 결과를 잡지 의 11월 7일자에 발표하였다. 코탐 박사는 “중성자별에서 열핵폭발이 일어나 빛이 세게 나타날 때에만 우리들은 그 발광한 빛과 중성자별의 중력장이 서로 작용하여 나타나는 특징을 관측할 수 있었다.”고 말했다.
왜냐하면 중력장에 의해 빛의 파장이 짧아진다는 이론으로부터 중성자별의 질량과 반경을 결정할 수 있으며, 이 비율은 또 그 내부 물질의 상태를 결정하게 된다. 그래서 이 발견은 중성자별의 성질을 이해하는데 매우 중요한 단서를 제공한다.
만약 중성자별의 정확한 질량/반경 비율을 얻을 수 있다면 과학자들은 가히 중성자별 내에 초유체의 특성 및 상호작용을 이해할 수 있게 된다. 이것은 입자물리학자들이 입자가속기 중에서 찾는 현상과 흡사하다. 이번 측정에서 얻은 결과는 또 처음으로 중성자가 자연계에서 존재하고 있음을 증명한 것이다.
“마치 태양의 내부구조를 명확히 이해하지 못하듯이 중성자별은 우리 인류에겐 아직도 하나의 블랙박스이다.” 논문의 공저자인 콜롬비아 대학의 프리츠 패렐스(Frits Paerels) 박사는, “우리는 중성자별 블랙박스에 첫 구멍을 열었다. 앞으로 이론가들이 우리들이 제공한 수치를 바탕으로 계속 연구하면 중성자별을 더 자세히 알 수 있을 것이다.”고 말했다.
더욱 흥미로운 것은, 논문의 또 다른 한 공저자인 네덜란드 국립 우주연구소의 마리아노 멘데즈(Mariano Mendez) 박사의 말인데 “앞으로 쿼크별 등 새로운 더 고밀도의 별을 찾을 수도 있을 것이다.”라고 기대했다.
현대 과학의 새로운 발견 중 특히 천체물리학이 관측한 현상들은 우리 인류의 기존 시야를 크게 넓혔다. 일부 물질, 예를 들면 중성자별, 블랙홀 등 그들은 모두 사람들의 일반상식을 훨씬 초월해 있다. 몇십 년 전 심지어 최근 사람들도 모두 그것들의 존재를 의심했지만 현재에 와서 고에너지 실험과 천문관측에 의해 잇따라 실증되었다. 사람들이 일상생활 중에서 고수하고 있는 관념들, 예를 들면 경험하지 못한 것, 혹은 현재 지식으론 아직 설명하지 못하는 현상들이 장래에는 아마도 누구나 다 아는 일반상식으로 바뀔 수 있을 것이다.
(한글 대기원에서 전재)