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지난 6월 3일 스페이스 X사의 팰콘 9 로켓이 발사되었습니다. 로켓의 1단은 지상으로 다시 착륙하는데 성공했습니다. 1단의 회수가 더 이상 놀랄만한 일이 아닐 만큼 안정화된 느낌입니다. 이번 발사는 드래곤 우주화물선을 국제우주정거장에 보내, 보급을 하는 임무였습니다. 스페이스 X사는 드래곤 우주선마저 지난 2014년에 사용했던 우주선을 이번에 재사용했습니다.
이번 보급 임무에는 특별한 장비가 탑재되었습니다. NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer)라는 이름의 이 장비는 중성자별을 관측하기 위한 장비입니다. 중성자별은 우주에서 가장 기이한 천체들 중 하나입니다. 별 전체의 크기가 미국의 맨해튼에 들어갈 만큼 작지만 태양보다 무겁습니다. 지구는 24시간을 주기로 자전하지만 어떤 중성자별은 1초에 716번 자전하기도 합니다. 과학자들의 흥미를 끌기에 충분한 천체이지만 풀지 못한 수수께끼가 많이 있습니다. NICER가 이 수수께끼를 풀 수 있는 열쇠가 될 것이라고 학계는 기대하고 있습니다. 오늘은 중성자별에 대해 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다.
중성자별이란?
중성자별은 별의 진화 과정에서 탄생합니다. 별 내부의 연료가 고갈되면 중심핵은 붕괴가 되고 표면은 날아가는 초신성 폭발이 일어나게 됩니다. 만일 이 별의 질량이 태양의 10~20 배 정도라면 중성자별이 됩니다. 이보다 더 무겁다면 블랙홀이 됩니다. 중성자별은 그 질량이 태양의 2~3배이지만 지름은 약 25km의 크기로 압축됩니다. 어마어마한 질량의 별이 도시 크기로 작아지는 셈입니다.
그렇기 때문에 중성자별의 밀도는 극단적으로 높습니다. 한 스푼 분량의 중성자별 물질은 지구에서 10억 톤 이상이 됩니다. 중성자별의 중력 역시 극단적으로 강합니다. 1m 높이에서 물체를 떨어트리면 100만 분의 1초 만에 별 표면에 부딪칩니다. 이때 최대 시속 72만 km까지 가속됩니다.
자전 속도 또한 매우 빠릅니다. 젊은 중성자별의 경우 1초에 수 번의 자전을 하는데, 근처에 다른 별이 중성자별에게 연료를 공급한다면 1초에 수백 번 자전할 수도 있습니다. PSRJ1748 중성자별의 경우 현재까지 자전이 가장 빠른 별로 알려져 있는데 초당 716번 자전을 하고 있습니다. 적도 부근의 자전 속도는 광속의 24%에 이릅니다. 때문에 이 중성자별의 형태는 달걀처럼 타원에 가까운 모습을 하고 있습니다.
펄서
중성자별을 더욱 기이하게 만드는 것은 펄서입니다. 펄서는 중성자별에서도 전자기파 광선을 방출하는 별입니다. 중성자별의 자기장 또한 강력한데, 이 자기장과 고속 회전으로 감마선을 포함한 강력한 전자기파 빔을 양 극점에서 방출합니다.
펄서가 회전하면서 이 빔은 등대처럼 우주를 비추기 때문에 관측자 시점에서는 깜빡이는 것처럼 보입니다. 그래서 펄서의 전자기파 빔이 지구를 향했을 때 관측이 가능합니다. 하지만 펄서가 방출하는 X선은 지구 대기를 거의 통과하지 못합니다. 따라서 펄서를 관측하기 위해서는 우주에서 관측해야 합니다. NICER는 국제우주정거장에 장착돼 펄서를 관측하는 임무를 수행하게 됩니다.
NICER
18개월간의 임무에서 NICER는 펄서파의 X선을 수집하게 됩니다. 수집한 데이터를 분석하면 중성자별 내부 구조와 펄서가 어떻게 강력한 전자기파 빔을 방출하는가에 대한 의문이 해소될 것으로 기대하고 있습니다. 한가지 흥미로운 사실은 이번 임무가 중성자별을 연구하는 순수학문에만 그치지 않는다는 점입니다.
펄서를 처음 발견했을 때, 방출하는 파장이 매우 규칙적이어서 외계인이 보내는 메시지라고 생각하기도 했습니다. 이 규칙적인 파장이 새로운 항법 시스템을 가능하게 할 수 있습니다. 현재 우리가 사용하는 가장 정확한 시계는 원자시계입니다. 그리고 우리는 그 원자시계를 사용하고 있습니다. 휴대폰을 통해서 말이죠. GPS 인공위성은 원자시계를 탑재하고 있습니다. 휴대폰이 GPS 신호를 수신함에 따라 우리는 원자시계의 혜택을 받고 있는 셈입니다.
정확한 위치를 파악하기 위해서는 정확한 시계도 필요합니다. 그런데 우주에는 원자시계보다 정확한 시계가 있습니다. 펄서입니다. GPS 인공위성은 지구에서만 사용할 수 있기 때문에, 현재 심우주를 탐사하는 우주선들은 위치 파악을 위해 NASA의 Deep Space Network를 이용하고 있습니다. 이 방식은 우주선이 지구와 멀어질수록 정확한 위치 파악이 지연되는 단점이 있습니다. GPS 인공위성 역할을 할 수 있는 펄서는 우주 도처에 있기 때문에, 펄서를 이용한다면 우주에서도 사용할 수 있는 새로운 내비게이션을 구축할 수 있습니다.
클릭>>심우주를 탐사하는 우주선도 GPS를 사용할까?
뿐만 아니라 X선을 이용한 통신 연구도 동시에 진행하게 됩니다. XCOM(X-ray based-communications)라고 부르는 이 프로젝트는 행성 간 통신에서 초당 기가바이트의 데이터를 전송하는 기술을 목표로 하고 있습니다. 레이저를 이용한 통신에 사용되는 가시광선, 적외선은 X선보다 파장이 깁니다. 이론적으로 XCOM은 레이저 통신보다 같은 출력으로 더 많은 데이터를 보낼 수 있는 것을 의미합니다. 또한 레이저보다 응축된 빔의 형태로 발사하기 때문에 통신에 필요한 에너지가 더 적게 소모되는 장점이 있습니다.
[에디터 : 정홍현]
<참고>
1. NASA : NASA to launch first ever neutron star mission
2. NASA : New NASA experiments, research headed to international space station
3. NASA JPL : Stellar jets
4. NASA GODDARD : What is a pulsar?
5. SPACE.COM : NASA X-ray tech could enable superfast communication in deep space
6. Kurzesagt : Atoms as big as mountains - Neutron stars explained
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