[박종진의 과학 이야기] 중성자별

박종진

밤하늘에 반짝이는 것이라고 모두 별은 아니다. 우주에서 본 파란 지구나 그 형제 행성들, 그리고 쟁반같이 밝은 보름달, 꼬리가 달린 혜성이나 비처럼 쏟아지는 유성은 별이 아니다. 별이란 핵융합을 하여 스스로 빛을 내는 천체를 말하며 별의 종류로는 지금 우리 태양 단계인 주계열성이 있고, 그러다 원료가 떨어지면 그 행성의 무게에 따라 적색 거성이 되었다가 백색 왜성으로 끝나기도 하고, 어떤 별은 초신성폭발 후 중성자별이 되기도 하며, 훨씬 덩치가 컸던 별은 블랙홀로 생을 마감하기도 한다.
 
중성자별이란 원료인 수소가 다 떨어져 수명을 다한 별이 초신성폭발 후 자체 중력수축으로 조그만 핵만 남게 되는데 그 핵을 이루는 물질이 중성자이기 때문에 붙여진 이름이다. 1932년 원자핵 속에서 양성자의 무게와 거의 같은 중성자가 발견되었는데 그 후 채 몇 년 되지 않아 그런 중성자로만 이루어진 천체의 존재를 예측하기는 했지만, 너무 어두워서 보이지 않을 것이라고 지레짐작하고 찾기를 포기했다.  
 
그러다 1967년 우주에서 오는 전파 신호가 잡혔는데 너무 규칙적이어서 그것이 외계 지적 생명체가 보낸 신호라고 생각했다. 연구 결과 그 신호는 매우 강한 자기장을 갖고 무척 빠른 속도로 회전하는 중성자별이 발산하는 것이라고 밝혀졌는데 특히 그런 중성자별을 펄서(Pulsar)라고 한다. 중성자별은 전자기파를 방출하므로 전파 망원경으로 관측할 수 있다. 대체로 중성자별의 질량은 우리 태양보다 조금 큰 편이지만 의외로 지름이 20km 정도에 불과하므로 그 중력이 엄청나게 강하다.  
 
중성자란 전자와 양성자가 합쳐진 전하가 없는 물질인데 초신성폭발로 인해 원자핵 속의 양성자가 전자와 합쳐져 중성자로만 된 천체를 중성자별이라고 한다. 중성자별은 밀도가 높아질수록 자기 무게를 견디지 못하고 점점 작아져서 임계점이 넘으면 가장 작은 기본입자로 붕괴하여 블랙홀이 된다.  
 

그래도 중성자별에서는 빛이 탈출할 수 있어서 우리 눈에 보이지만 블랙홀은 빛조차 빠져나오지 못해서 보이지 않는다. 태양 질량의 8~30배 정도 되는 큰 별이 생을 마감할 때 중성자별이 되지만, 그보다 큰 슈퍼 사이즈 별은 초신성폭발 과정을 거친 후 블랙홀이 된다.
 
원자는 중앙에 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 공전하는 구조다. 만약 원자가 잠실 대운동장만 하다고 상상하면, 겨우 탁구공 크기의 원자핵은 운동장 한복판에 위치한다. 그 탁구공 속에 같은 개수의 양성자와 중성자가 들어있고, 좁쌀 크기 정도의 전자는 관중석 가장자리쯤에서 운동장 중앙에 놓인 탁구공을 공전하는 모습이다. 탁구공으로 묘사된 원자핵 속의 양성자끼리는 같은 +전하를 가져 서로 밀치지만 강한 핵력으로 묶여 있고, 전자가 그 멀리서도 가운데 탁구공인 핵 주위를 빙빙 돌 수 있는 이유는 전자기력 때문이다. 그런데 그 큰 잠실운동장에서 원자핵인 탁구공과 좁쌀 크기의 전자를 빼면 나머지는 텅텅 빈 진공이다. 그래서 초신성폭발로 원자의 공간을 모두 잃고 원자 속의 양성자와 전자가 합쳐져서 중성자가 되면 그 크기가 엄청나게 줄어들어서 중성자별에서 성냥갑 크기면 지구에서 약 50억 톤 정도 된다고 한다.
 
중성자별은 온도가 아주 높고 고속으로 회전하며 중력도 엄청 센데 우주에서 블랙홀에 버금가는 신비로운 천체다. (작가)
 
 

박종진