중성자별은 인류에 어떤 영향을 줬을까

거대한 질량을 가진 항성이 초신성화해 탄생하는 중성자별(Neutron Star)은 인류에 어떤 영향을 주고 있을까.

별은 수많은 플라즈마가 중력에 의해 중심으로 몰리면서 형성된다. 태양 등 스스로 빛을 발하는 가스체 천체인 별은 내부에서 압력에 의해 원자끼리 반응이 발생한다. 수소는 중수소로 변화하고 중수소는 헬륨4까지 변화한다. 이런 일련의 변화 과정에서 에너지가 방출되기 때문에 별 중심 부근에선 방출되는 에너지에 의한 외적 압력과 중력에 의한 내적 압력이 합쳐진다. 이 바깥쪽 압력과 내적 압력이 공정한 항성은 안정적 상태라고 한다.

하지만 태양보다 훨씬 큰 별이라면 안정적인 것처럼 보여도 내부에서 문제가 발생하는 경우가 있다. 수소가 헬륨4까지 변화해 반응을 종료한 뒤 방출되는 에너지에 의한 외적 압력이 저하되기 때문에 중력에 의한 내적 압력이 이긴다. 이런 내적 압력을 받아 항성 자체 크기는 작아진다.

압력이 높아진 결과 별의 핵 연소 온도와 속도가 올라가고 핵은 탄소가 네온이 되고 네온은 산소, 산소는 실리콘으로 변화한 뒤 최종적으론 철이 된다. 별의 핵이 모두 철이 되면 반응은 종료되며 방출 에너지에 의한 외적 압력은 제로가 된다. 바깥쪽 압력이 제로가 되면 중력에 의한 내적 압력이 핵에 걸린다. 보통 전자나 양성자 같은 입자는 분자간 힘에 의해 서로 일정한 거리를 유지한다. 하지만 중력이 강해질 때 서로 일정한 거리를 유지할 수 없을 만큼 가압되어 버리는 것이다.

이런 압력은 지구 같은 크기의 별 핵심이 도시만큼이나 작은 크기까지 압축되어 버릴 정도다. 이 압력에 의해 행성 바깥쪽 가장자리는 광속보다 25% 속도로 내부가 긴축되고 결국 폭발한다. 폭발에 의해 핵 내부 철은 우주로 흩뿌려진다. 이게 초신성이다. 초신성에 의해 만들어진 빛은 우주 전체를 비출 만한 힘이 있다.

이런 초신성 후 남는 게 바로 문제의 중성자별. 중성자별의 질량은 지구의 100만개 분량이지만 부피는 1변이 25km 입방체 만큼 밖에 안 된다. 따라서 중성자별이 있는 중력은 블랙홀에 이어 우주에서 2번째로 강력하다. 중성자별 주변을 가로 지르는 빛은 중력에 의해 진행 방향이 가늘어진다. 또 중성자별 표면 온도는 100만도에 달한다. 참고로 태양의 표면 온도는 6,000도다.

중성자별은 대기와 지각, 핵 3개층으로 이뤄져 있다. 지각은 초신성에 의해 남은 철이 서로 금속으로 결합해 엄청난 강도를 자랑한다. 또 핵 쪽에 가까울수록 중력에 의한 압력이 증가하기 때문에 철 원자가 응축되어 들러 붙어 있다고 생각하면 된다. 지각 내부에선 층상이 접착되어 있는 것으로 보여진다. 선상에 접착한 철 원자는 스파게티, 층상에 접착한 철 원자를 라자냐에 비유하고 중성자별 표면은 핵 파스타(Nuclear pasta)라고 한다. 이 핵 파스타는 우주에서 가장 높은 경도를 지니고 있으며 기본적으론 고장 나지 않는 물질이라고 생각할 수 있다.

이런 핵 파스터 더 안쪽에 있는 게 중성자별의 핵심이다. 중성자별 코어 안에는 분해물인 쿼크가 떠있는 쿼크-글루온 플라즈마(Quark-Gluon Plasma) 상태인 것으로 예측된다. 쿼크=글루온 플라즈마는 우주에서 가장 위험한 물질인 스트레인지 물질을 만들 수 있다는 설도 있다.

중성자별이 붕괴될 때 중성자별은 마치 발레리나처럼 고속으로 회전한다. 이런 고속 회전과 중성자별이 가진 자기장이 합쳐져 중성자별은 거대한 전파를 만든다. 이 상태가 된 중성자별은 펄서라고 한다. 펄서가 내는 자기장은 지구 자기장보다 1,000조배나 강력할 정도다.

중성자별 2개끼리 융합하는 킬로노바(kilonova)는 대폭발을 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 금이나 우라늄, 플라티나 등 중금속은 킬로노바에 의해 만들어진 것으로 간주하고 있기도 하다. 마지막으로 킬로노바를 일으킨 두 중성자별은 블랙홀이 된다.

초신성과 킬로노바에 의해 우주 공간에는 다양한 물질이 흩뿌려진다. 이 물질은 서로의 중력에 의해 서로 끌려 항성이나 행성, 다시 별 중에선 중성자별이 다시 태어나게 된다. 현대 사회에서 사용하는 과학 기술도 중성자별이 오래 전에 만들어낸 원소에 근거하는 것이다. 이런 점에선 중성자별은 지금의 세상을 만들었다고 할 수 있다.