펄서

죽은 별이 우주의 등대가 되는 과정

단계별로

도시만 한 별

태양보다 8배 넘게 무거운 별이 죽으면 중심핵이 붕괴해 중성자별이 됩니다. 태양 질량의 약 1.4배가 지름 22km쯤 되는 공에 담깁니다.

큰 별은 중심핵에서 가벼운 원자를 무거운 원자로 융합하며 빛납니다. 중심핵이 철로 바뀌면 그 불은 꺼집니다. 철을 융합해도 에너지가 나오지 않기 때문입니다. 버텨 줄 것이 사라지자, 지구만 한 크기의 중심핵은 1초도 안 되어 스스로 무너져 내립니다.

짓누르는 힘이 너무 커서 전자가 양성자 속으로 밀려 들어가 양성자를 중성자로 바꿉니다. 붕괴는 중성자가 원자핵 속만큼 빽빽하게 채워졌을 때에야 멈춥니다. 별의 나머지 부분은 초신성 폭발로 우주로 날아가고, 중성자별이 남습니다.

블랙홀을 빼면 이보다 밀도가 높은 것은 알려져 있지 않습니다. 중성자별 물질을 각설탕 하나만큼 모으면 지구의 모든 사람을 합친 것만큼 무겁습니다. 이 별의 중력은 빛을 휘게 합니다. 주위에 늘어진 별들의 고리는 그 인력에 휜 별빛이며, 표면의 약 5분의 4가 한꺼번에 보입니다.

회전하는 자석

붕괴로 자전이 빨라지고 자기장은 지구 자기장의 수조 배로 압축되었습니다. 자기극은 자전축에서 기울어져 있습니다.

팔을 오므리면 더 빨리 도는 피겨 스케이팅 선수를 떠올려 보세요. 죽어 가는 별의 중심핵은 천천히 돌고 있었지만, 지구만 한 크기에서 도시만 한 크기로 줄어들자 수십만 배나 빨리 돌게 되었습니다. 갓 태어난 중성자별은 1초에 여러 바퀴를 돌 수 있습니다.

압축은 별의 자기장도 훨씬 좁은 공간에 몰아넣어 어마어마하게 강하게 만들었습니다. 마그네타라고 불리는 몇몇 중성자별은 이보다 천 배나 더 강해서, 알려진 가장 강한 자석입니다.

지구처럼, 자극은 자전축이 뚫고 나오는 곳에 있지 않습니다. 흰 점선은 별이 도는 축이고, 보라색 점선은 거기서 기울어진 자기축입니다. 바로 이 기울기가 별을 등대로 만들어 줍니다.

두 줄기 빔

자기극 위에서는 표면에서 뜯겨 나온 입자가 자기장을 따라 바깥으로 질주하며 좁은 전파 빔 두 줄기를 내뿜습니다. 전파는 보이지 않으므로 여기서는 초록색으로 그렸습니다.

도는 자석은 전기를 만듭니다. 발전소의 발전기가 바로 이렇게 작동합니다. 중성자별은 거대한 발전기입니다. 자전으로 수조 볼트의 전압이 생기는데, 표면에서 전자와 다른 전하를 띤 입자를 뜯어낼 만큼 강합니다.

전하를 띤 입자는 철사에 꿴 구슬처럼 자기력선을 따라서만 움직일 수 있습니다. 각 자극 위에서는 자기력선이 우주로 뻗어 나가고, 그곳에서 입자들이 거의 빛의 속도로 바깥으로 내던져집니다. 그러는 동안 입자들은 좁은 원뿔 안으로 전파를 내보내는데, 이것이 빔입니다. 입자들이 정확히 어떻게 전파를 내는지는 과학자들이 아직 풀고 있는 수수께끼입니다.

빔의 에너지는 별의 자전에서 오기 때문에, 모든 펄서는 수백만 년에 걸쳐 조금씩 느려집니다. 게 펄서와 돛자리 펄서처럼 가시광선, X선, 감마선으로도 깜빡이는 펄서도 있습니다.

우주의 등대

별이 돌면 빔이 등대 불빛처럼 하늘을 훑고 지나갑니다. 빔이 지구를 지날 때마다 전파 망원경이 펄스를 하나 잡아냅니다.

빔은 자극에 고정되어 있고 자극은 기울어져 있어서, 별이 돌면 각 빔이 하늘에 원을 그리며 휩쓸고 지나갑니다. 별이 켜졌다 꺼졌다 하는 것이 아닙니다. 등대 불빛처럼 늘 빛나고 있고, 빔이 우리 쪽을 향할 때에만 번쩍임이 보이는 것입니다.

금색 화살표는 지구 쪽을 가리킵니다. 글 위의 초록색 선은 지구의 전파 망원경이 기록하는 전파 신호입니다. 빔이 다른 곳을 향하는 동안에는 평평하고, 빔이 우리를 스쳐 갈 때마다 뾰족하게 솟습니다.

대부분의 펄서는 빔이 지구를 지나가지 않아서 우리는 아예 볼 수 없습니다. 그래도 지금까지 4,000개가 넘는 펄서가 발견되었고, 거의 모두 우리 은하 안에 있습니다.

실제 속도

느리게 하면 한 바퀴씩 따라갈 수 있습니다. 돛자리 펄서는 실제로 1초에 11바퀴, 알려진 가장 빠른 펄서는 716바퀴를 돕니다. 펄서를 골라 보고 들어 보세요.

지금까지는 눈으로 따라갈 수 있도록 자전을 느리게 보여 주었습니다. 위쪽 버튼으로 느린 화면과 실제 속도를 바꿀 수 있고, 옆의 목록에는 진짜 펄서 네 개가 있습니다. 처음 발견된, 1.34초에 한 바퀴 도는 펄서부터 알려진 가장 빠른 펄서까지입니다.

가장 빠른 PSR J1748−2446ad는 1초에 716바퀴를 돕니다. 적도가 빛의 속도의 약 5분의 1로 돌고 있습니다. 이렇게 빠른 펄서는 다시 빨라진 늙은 펄서입니다. 동반성이 가스를 쏟아부어, 회전목마를 미는 손처럼 점점 더 빨리 돌게 만든 것입니다.

소리를 켜면 차이를 들을 수 있습니다. 느린 펄서는 북처럼 두드리고, 빠른 펄서는 웅웅거리며, 1초에 수백 번 맥동하면 박자가 녹아들어 하나의 음이 됩니다.

빛 원기둥

자기장은 별에 뿌리를 두고 바퀴살처럼 별과 함께 돕니다. 바퀴살을 따라 바깥으로 갈수록 더 빨리 움직입니다. 회전목마의 가장자리가 가운데보다 빨리 움직이는 것과 같습니다.

그 안에서는 자기력선이 별로 되돌아가고, 그 위의 입자들이 별과 함께 돕니다. 더 멀리 뻗을 자기력선은 닫히지 못하고, 열린 채 나선을 그리며 끌려 나가 거의 빛의 속도로 입자의 바람을 실어 나릅니다. 게 펄서 주위에서는 이 바람이 폭 약 11광년의 게성운 전체를 빛나게 합니다.

하늘의 시계

1967년 조슬린 벨 버넬이 최초의 펄서를 발견했습니다. 펄서는 매우 규칙적으로 시간을 재기 때문에, 파이어니어와 보이저 탐사선에 실린 펄서 14개의 지도는 우리 태양의 위치를 알려 줍니다.

1967년, 케임브리지의 대학원생 조슬린 벨 버넬은 자신이 만드는 일을 도운 전파 망원경의 기록지에서 작은 '얼룩'을 발견했습니다. 1.34초 간격으로 시계처럼 규칙적인 펄스였습니다. 연구팀은 반쯤 농담으로 이 전파원을 'little green men(작은 초록 외계인)'에서 따 LGM-1이라고 불렀는데, 곧 비슷한 것들이 더 발견되면서 회전하는 중성자별이라는 사실이 밝혀졌습니다.

이 발견에 대한 1974년 노벨상은 지도 교수 앤터니 휴이시에게 돌아갔고, 그녀는 받지 못했습니다. 2018년 그녀는 300만 달러의 브레이크스루상을 받아, 물리학에서 소외된 집단의 학생들을 돕는 데 전액을 기부했습니다.

가장 빠른 펄서는 원자시계에 버금갈 만큼 정확하게 시간을 지킵니다. 1992년에는 한 펄서의 시간 측정으로 다른 별을 도는 행성이 처음으로 발견되었습니다. 또 천문학자들은 68개의 펄서를 15년 동안 측정해, 2023년 공간 자체의 물결인 중력파가 우리 은하를 지나가고 있다는 징후를 찾아냈습니다.

파이어니어 금속판과 보이저 음반에 새겨진 지도는 태양에서 본 14개 펄서의 방향과 거리, 박자를 보여 줍니다. 펄서는 일정하게 느려지므로, 이 지도를 발견한 누군가는 탐사선이 어디서 왔는지뿐 아니라 대략 언제 출발했는지도 알아낼 수 있습니다.

펄서