중성자별 내부를 모델링하고 연구한 결과 이 작은 천체 내부 구조를 질량에 따라 다르다는 게 밝혀졌다. 내부 구조는 과자에 비유된다고 하는데 다만 비슷한 건 구조 뿐이며 현재는 그 이상은 알 수 없다.
중성자별은 거대한 항성이 붕괴되어 만들어지는 밀도가 높은 잔해로 우주에서 블랙홀에 이은 고밀도 천체다. 내부에선 원자 주위를 돌고 있던 전자가 중력 영향으로 원자핵 양성자에 밀려들어가 구성물질 대부분이 중성자가 되어 있기 때문에 중성자성이라고 불린다.
중력이 강해 관찰하려고 가까워지면 인간 신체 등은 원자 수준으로 분해되어 버린다. 너무 중력장이 강하기 때문에 표면에 산이 있었다고 해도 표고는 1mm도 안 된다. 중성자별 내부가 어떻게 되어 있는지 관측하고 싶어도 어렵다. 이론적으로 연구할 수밖에 없다. 최근 일부 연구팀은 방대한 종류 중성자 모델을 만들어 조사했다.
우주 물리학 관련 국제 학술지(The Astrophysical Journal Letters)에 게재된 논문에 의하면 질량이 태양 1.7배 이하라는 비교적 가벼운 중성자별은 단단한 코어를 부드러운 맨틀이 감싸는 구조라고 한다. 또 무거운 중성자별 내부 구조는 반대로 되어 있다고 한다.
연구팀은 가벼운 중성자별은 헤이즐넛을 부드러운 초콜릿으로 감싼 프랄린과 비슷하다며 반면 무거운 중성자별은 더 초콜릿 과자 같을 것으로 여겨지며 부드러운 내용이 초콜릿으로 단단하게 코팅되어 있다고 설명했다.
연구팀은 중성자별 상정 가능한 질량, 압력, 부피, 온도 등 파라미터와 실제 관측 데이터를 조합해 방대한 수 모델을 만들어 중성자별 생성 과정을 시뮬레이션했다. 중성자별이 생성될 정도로 고밀도 물리 현상을 재현할 수 있는 실험 시설은 전 세계에서 유럽원자핵연구기구 CERN 내 LHC, SLAC국립가속기연구소 MEC(Matter in Extreme Conditions) 2개 뿐이다. 따라서 모델을 사용하는 시뮬레이션이 중성자별 연구에 있어선 중요한 수단이다.
천체 점도를 알아보려면 소리가 천체 내부를 얼마나 빨리 전달하는지 모델을 사용해 계산한다. 음파는 화성 탐사기 인사이트가 화성 내부 구조를 해명한 것처럼 천체 내부 구조를 조사하는 데에도 사용할 수 있다. 연구팀은 방대한 수 상태 모델 방정식을 만들어 조사했는데 질량이 최대급 중성자별에선 코어 음속이 외부 레이어보다 느려진다는 걸 알게 됐다고 말한다. 이를 통해 코어에선 물질이 어떤 변화를 일으키고 있다고 여겨진다는 것.
또 연구팀은 중성자별 직경은 질량과 무관하게 예외없이 12km 정도가 된다고 보고 있다. 이는 표준 중성자별 직경을 22km로 한 2020년 추정치 절반 정도다. 크기는 달라도 중성자별 평균 질량은 지구 50만 개 정도로 밀도가 높은 천체다.
중성자별 점도가 다채롭다는 건 이제 어느 정도 알게 됐다. 하지만 물질 상태와 이들이 어떻게 결합되는지는 조사되지 않았다. 아직 수수께끼가 많은 초고밀도 천체지만 중성자별은 실제로 존재하며 다양한 장치에서 관측 데이터를 수집하려 한다. 중성자별과 블랙홀 합체 같은 격렬한 충돌이 일어나면 내부 물질이 외부로 노출되어 중성자별 성질도 밝혀질지 모른다. 예를 들어 미항공우주국 나사(NASA) 중성자별 관측기인 NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer), 연구 그룹인 NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), CHIME 전파 망원경, 공동 연구 활동인 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)와 Virgo 등을 통해 중성자별 크기와 구조를 조사하고 있다.
관측 데이터가 늘면 이를 이용해 중성자별 모델 정밀도를 높일 수 있다. 태양 2개분 질량을 야구장에 밀어 넣은 것 같은 질량이 큰 중성자별을 조사하면 이런 극단적인 성질 천체가 어떤 물리적 특성을 나타내는지 고정밀도로 예측할 수 있다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.