우주에서 가장 빠르게 회전하는 천체 'PSR J1748-2446ad'의 비밀

1초에 716번 회전하는 천체가 있다면 믿으시겠습니까? 지름 20킬로미터의 별이 블렌더보다 빠르게 돌아가면서도 산산조각 나지 않는다는 사실이 놀랍지 않으신가요? 우주에는 우리의 상상을 뛰어넘는 극한의 천체들이 존재하는데, 그중에서도 PSR J1748-2446ad라는 펄서는 현재까지 발견된 천체 중 가장 빠르게 회전하는 기록 보유자입니다. 오늘은 이 놀라운 천체의 비밀을 파헤쳐보고, 어떻게 이런 극한의 회전이 가능한지 함께 알아보겠습니다.

 

※ 아래는 [AI 생성] 밀리초 펄서의 빠른 회전을 표현한 이미지입니다.

우주에서 가장 빠르게 회전하는 천체 'PSR J1748-2446ad'의 비밀

📑 목차

• PSR J1748-2446ad는 어떤 천체인가?
• 펄서란 무엇인가? (중성자별의 등대)
• 1초에 716회전, 적도 속도는 광속의 24%
• 어떻게 발견되었을까? (2004년 테르잔 5 성단)
• 왜 이렇게 빠르게 회전할 수 있을까?
• 밀리초 펄서의 탄생 과정
• 회전 속도의 한계는 어디까지일까?
• 펄서 연구가 우리에게 주는 의미
• 우주의 극한을 보여주는 천체

 

PSR J1748-2446ad는 어떤 천체인가?

PSR J1748-2446ad는 공식 명칭이 다소 복잡해 보이지만, 이 이름에는 중요한 정보가 담겨 있습니다. 'PSR'은 펄서(Pulsar)를 의미하고, 뒤따르는 숫자들은 이 천체가 하늘에서 위치한 좌표를 나타냅니다. 마지막 'ad'는 같은 지역에서 발견된 여러 펄서 중 특정 개체를 구분하기 위한 표시입니다.

이 천체는 지구로부터 약 18,000광년 떨어진 곳에 위치해 있습니다. 궁수자리 방향에 있는 테르잔 5라는 구상성단 안에서 발견되었는데요. 구상성단은 수십만 개의 오래된 별들이 공처럼 모여 있는 천체 집단입니다. 이런 밀집된 환경은 펄서가 탄생하기에 매우 유리한 조건을 제공합니다.

PSR J1748-2446ad의 가장 놀라운 특징은 회전 주기입니다. 이 천체는 1.396밀리초마다 한 바퀴씩 회전합니다. 다시 말해 1초에 약 716번 자전하는 것이죠. 이는 현재까지 관측된 천체 중 가장 빠른 회전 속도로, 2006년 발견 이후 지금까지도 이 기록은 깨지지 않고 있습니다.

펄서란 무엇인가? (중성자별의 등대)

펄서를 이해하려면 먼저 중성자별에 대해 알아야 합니다. 무거운 별이 수명을 다하면 초신성 폭발을 일으키는데, 이때 별의 중심부가 엄청난 압력으로 압축되어 중성자별이 탄생합니다. 태양 정도 질량을 가진 물질이 지름 약 20킬로미터의 공간에 눌려 들어간 것이죠.

중성자별의 밀도는 상상을 초월합니다. 각설탕 크기의 중성자별 물질은 약 10억 톤의 무게를 가집니다. 지구상의 모든 사람을 합쳐도 각설탕 하나 분량의 중성자별 물질보다 가볍습니다. 이렇게 극한으로 압축된 물질은 원자핵 수준의 밀도를 가지게 되며, 대부분 중성자로 이루어져 있어 중성자별이라는 이름이 붙었습니다.

펄서는 중성자별 중에서도 특별한 종류입니다. 매우 강력한 자기장을 가지고 있으며, 자기 극 방향으로 강한 전파 빔을 방출합니다. 이 별이 회전하면서 전파 빔이 지구 방향을 주기적으로 가리킬 때마다, 마치 등대의 불빛처럼 우리는 규칙적인 신호를 받게 됩니다. 1967년 조슬린 벨 버넬이 처음 펄서를 발견했을 때, 너무나 규칙적인 신호 때문에 외계 문명의 신호가 아닐까 의심했을 정도였습니다.

1초에 716회전, 적도 속도는 광속의 24%

PSR J1748-2446ad의 회전 속도를 실감하기 위해 구체적으로 계산해보겠습니다. 이 펄서의 지름을 약 20킬로미터로 가정하면, 적도 부분의 회전 속도는 초속 약 72,000킬로미터에 달합니다. 이는 빛의 속도(초속 30만 킬로미터)의 약 24%에 해당하는 엄청난 속도입니다.

일상적인 비교를 해볼까요? 지구의 적도 자전 속도는 초속 약 0.46킬로미터입니다. PSR J1748-2446ad는 지구보다 약 15만 배 이상 빠르게 회전하는 셈입니다. 만약 여러분이 이 펄서의 표면에 서 있다면, 중력의 수백억 배에 달하는 원심력을 경험하게 될 것입니다.

그런데 이렇게 빠르게 회전하는데도 왜 산산조각 나지 않을까요? 바로 중성자별의 엄청난 중력 때문입니다. 표면 중력은 지구의 약 2천억 배에 달하며, 이 강력한 중력이 원심력을 압도하여 별의 형태를 유지시켜줍니다. 하지만 회전 속도에도 한계가 있는데, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 다루겠습니다.

어떻게 발견되었을까? (2004년 테르잔 5 성단)

PSR J1748-2446ad는 2004년 천문학자들이 테르잔 5 구상성단을 관측하던 중 발견되었습니다. 발견에 사용된 장비는 미국 국립과학재단이 운영하는 그린뱅크 전파망원경이었습니다. 이 망원경은 지름 100미터의 거대한 접시 안테나로, 우주에서 오는 미약한 전파 신호를 포착할 수 있습니다.

테르잔 5는 펄서 사냥꾼들에게 매우 흥미로운 대상입니다. 이 구상성단은 은하 중심부 근처에 위치해 있으며, 별들이 매우 밀집되어 있어 별들 사이의 상호작용이 활발합니다. 2022년까지의 관측 결과, 이 작은 성단 안에서만 100개 이상의 펄서가 발견되었습니다. 우주에서 펄서 밀도가 가장 높은 지역 중 하나인 것이죠.

발견 초기에는 이 펄서의 회전 주기를 정확히 측정하는 것이 큰 도전이었습니다. 밀리초 단위의 극히 짧은 주기를 정밀하게 측정하려면 매우 정교한 분석 기술이 필요했기 때문입니다. 연구팀은 수개월간의 관측과 데이터 분석을 통해 마침내 1.396밀리초라는 놀라운 회전 주기를 확정했고, 2006년 공식적으로 발표했습니다.

왜 이렇게 빠르게 회전할 수 있을까?

중성자별이 처음 탄생할 때부터 이렇게 빠르게 회전하는 것은 아닙니다. 초신성 폭발 직후 태어난 중성자별은 일반적으로 1초에 수십 번 정도 회전합니다. 빠르기는 하지만 밀리초 펄서에 비하면 한참 느린 속도죠. 그렇다면 어떻게 PSR J1748-2446ad는 이토록 극단적인 회전 속도를 얻게 되었을까요?

비밀은 동반성에 있습니다. PSR J1748-2446ad는 쌍성계의 일부로, 곁에 다른 별이 함께 공전하고 있습니다. 이 동반성으로부터 물질이 중성자별로 떨어지면서 각운동량을 전달하게 되고, 이 과정에서 중성자별의 회전 속도가 점점 빨라집니다. 마치 회전하는 팽이에 채찍질을 하듯이 말이죠.

이런 과정을 천문학자들은 '재활용 과정(recycling process)'이라고 부릅니다. 한때 회전이 느려졌던 늙은 중성자별이 동반성의 물질을 받아먹으면서 다시 젊어지는 것처럼 빠르게 회전하게 되기 때문입니다. NASA의 연구에 따르면, 이 과정은 수백만 년에서 수억 년에 걸쳐 일어나며, 그 결과 밀리초 펄서가 탄생합니다.

밀리초 펄서의 탄생 과정

밀리초 펄서가 만들어지는 과정을 단계별로 살펴보겠습니다. 먼저 무거운 별이 초신성 폭발을 일으키며 중성자별이 탄생합니다. 초기에는 강력한 자기장과 함께 빠르게 회전하지만, 시간이 지나면서 자기장이 에너지를 방출하며 회전이 점점 느려집니다. 이 단계를 '스핀다운 단계'라고 합니다.

만약 이 중성자별이 쌍성계에 속해 있다면 이야기가 달라집니다. 동반성이 진화하여 적색거성이 되면, 바깥층의 물질이 중성자별 쪽으로 흘러넘치기 시작합니다. 이 물질은 중성자별 주위에 원반을 형성하며 나선을 그리며 떨어지는데, 이 과정에서 각운동량이 중성자별에 전달됩니다.

물질 강착 과정은 수백만 년 동안 계속되며, 중성자별은 점점 더 빠르게 회전하게 됩니다. 동시에 떨어지는 물질의 에너지로 인해 강력한 X선을 방출하기도 하는데, 이 단계의 천체를 'X선 쌍성'이라고 부릅니다. 실제로 천문학자들은 X선 쌍성을 관측함으로써 밀리초 펄서가 탄생하는 과정을 실시간으로 지켜볼 수 있습니다.

마침내 동반성이 물질을 모두 잃거나 백색왜성으로 변하면, 물질 강착이 멈추고 중성자별은 밀리초 펄서로 남게 됩니다. 이때의 회전 속도는 초당 수백 회에 달하며, 매우 안정적으로 유지됩니다. PSR J1748-2446ad가 바로 이런 과정을 거쳐 탄생한 것으로 추정됩니다.

회전 속도의 한계는 어디까지일까?

중성자별의 회전 속도에는 이론적 한계가 있습니다. 아무리 빠르게 회전해도 원심력이 중력을 이기면 별이 찢어지게 되는데, 이 한계점을 '붕괴 한계'라고 합니다. 중성자별의 밀도와 구조를 고려한 계산에 따르면, 이론적 최대 회전 속도는 초당 약 1,000~1,500회 정도로 추정됩니다.

PSR J1748-2446ad의 초당 716회전은 이론적 한계의 약 절반 수준입니다. 그렇다면 더 빠른 펄서가 발견될 가능성도 있을까요? 천문학자들은 그 가능성을 열어두고 있지만, 동시에 회전 속도를 높이는 것이 점점 어려워진다는 점도 지적합니다. 회전이 빨라질수록 물질을 효율적으로 흡수하기가 어려워지기 때문입니다.

흥미로운 점은 관측된 밀리초 펄서들의 회전 속도 분포입니다. 초당 700회 이상 회전하는 펄서는 매우 드물며, PSR J1748-2446ad보다 빠른 펄서는 아직 발견되지 않았습니다. 이는 자연이 설정한 실질적인 한계가 있음을 시사하며, 중성자별의 물리학을 이해하는 중요한 단서가 됩니다.

펄서 연구가 우리에게 주는 의미

밀리초 펄서는 단순히 신기한 천체가 아니라 우주를 연구하는 정밀한 도구입니다. 이들의 회전은 원자시계보다도 정확하여, '우주의 시계'라고 불립니다. 천문학자들은 여러 펄서의 신호를 조합하여 중력파를 탐지하는 '펄서 타이밍 어레이' 프로젝트를 진행하고 있습니다.

2023년 북미 나노헤르츠 중력파 관측소(NANOGrav)는 15년간 수집한 펄서 데이터를 분석하여 초대질량 블랙홀 쌍에서 나오는 중력파의 증거를 발견했다고 발표했습니다. 이는 밀리초 펄서가 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는 데 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여주는 사례입니다.

또한 중성자별 연구는 극한 물리학의 실험실 역할을 합니다. 지구상에서는 절대 재현할 수 없는 밀도와 압력, 자기장 환경을 중성자별이 제공하기 때문입니다. PSR J1748-2446ad 같은 극단적 천체를 연구함으로써, 과학자들은 물질의 근본적인 성질과 물리 법칙의 한계를 탐구할 수 있습니다.

우주의 극한을 보여주는 천체

PSR J1748-2446ad는 우주에서 가장 빠르게 회전하는 천체로서, 자연이 만들어낼 수 있는 극한의 모습을 보여줍니다. 태양 질량의 별이 도시만 한 크기로 압축되어 1초에 716번 회전하는 모습은, 우리의 일상적인 경험으로는 상상하기 어려운 현상입니다.

이 놀라운 펄서는 2004년 테르잔 5 구상성단에서 발견된 이후, 중성자별의 물리학과 극한 환경에서의 물질 상태를 연구하는 중요한 대상이 되었습니다. 동반성으로부터 물질을 받아먹으며 수백만 년에 걸쳐 가속된 결과, 광속의 24%에 달하는 적도 속도를 갖게 된 것입니다.

밀리초 펄서 연구는 단순히 천체물리학의 호기심을 충족시키는 것을 넘어, 중력파 탐지, 상대성이론 검증, 극한 물질 상태 연구 등 현대 물리학의 최전선에서 중요한 역할을 하고 있습니다. PSR J1748-2446ad는 우주가 얼마나 놀라운 곳인지, 그리고 자연의 법칙이 어디까지 허용하는지를 보여주는 살아있는 실험실입니다.

앞으로 더 정밀한 관측 장비가 개발되면, 혹시 이 기록을 깨는 더 빠른 펄서가 발견될 수도 있습니다. 하지만 현재로서는 PSR J1748-2446ad가 우주 회전 속도 챔피언의 자리를 지키고 있으며, 우주의 극한을 탐구하는 과학자들에게 끝없는 영감을 주고 있습니다.

 

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✨ 제작 정보

이 글은 AI 어시스턴트의 도움을 받아 작성되었으며, 이미지는 AI 생성 도구로 제작되었습니다.

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