펄사(Pulsar)

펄사란?

 

펄사는 1967년 조셀린 벨 버넬(Jocelyn Bell Burnell)과 앤서니 휴이시(Antony Hewish)가 처음 발견한 독특한 천체이다. 펄사는 등대 빔과 유사하게 극에서 전자기 방사선 빔을 방출하는 매우 작고 고도로 자기화된 회전하는 중성자별이다.  

 

펄사의 생성

중성자별은 무거운 별이 초신성 폭발을 겪을 때 형성되며 중력에 의해 핵이 붕괴된다. 그 결과물은 엄청나게 밀도가 높고 질량은 태양보다 크지만 직경은 불과 몇 킬로미터에 불과하다. 이 높은 밀도는 중력이 매우 강하고 중성자 별이 각운동량을 보존하기 위해 빠르게 회전한다는 것을 의미한다. 중성자별의 회전하면서 자극에서 전자기 복사선을 방출하게 되는데 우주로 뻗어나가는 이 빔이 지구를 향할 때만 감지할 수 있다. 이것은 일련의 펄스로 관찰되는 주기적인 방사선 패턴을 생성한다. 매우 정확한 간격으로 발생하는 이러한 펄스의 규칙성은 천체물리학 연구에 매우 유용하며 다양한 과학적 응용에 사용되었다.

 

펄사의 종류

발견된 펄사는 몇 가지 유형이 있다.

1. 일반 펄사(Normal pulsars) : 가장 일반적인 유형의 펄사이며 규칙적인 방사선 펄스를 방출한다.

2. 밀리초 펄사(Millisecond pulsars) : 10밀리 초 미만의 주기로 빠르게 회전하는 펄사이다.

3. 마그네타(Magnetars) : X선과 감마선을 방출하는 고도로 자화 된 펄사이다.

4. 쌍성 펄사(Binary pulsars) : 주로 백색 왜성 및 다른 중성자 별 주위를 공전하는 펄사이다.

5. 회전 무선 천이(Rotating radio transients) : 이들은 불규칙한 방사선 폭발을 방출하는 펄사로 감지하기가 어렵다.

펄사의 특성

펄사의 가장 큰 특징으로는 엄청나게 빠른 회전 속도를 들 수 있다. 일부 펄사는 초당 수백 번 회전하여 우주에서 가장 빠르게 회전하는 물체이다. 이렇게 높은 회전 속도는 물리학의 기본 법칙인 각운동량 보존에 기인한다.

 

또 다른 특징으로는 높은 자기장이다. 펄사는 지구 자기장보다 수조 배 더 강한 자기장을 가지고 있다. 이 높은 자기장은 자극에서 전자기 방사선 빔을 방출할 수 있게 한다. 펄사에서 방출되는 방사선 빔은 방향성을 가지고 있는데 그것은 그들이 지구를 직접 향할 때만 관측이 가능하다는 것을 의미한다. 펄사가 회전함에 따라 방사선 빔은 등대 빔처럼 하늘을 가로질러 지나가게 되고 이것은 일련의 펄스로 관찰되는 주기적인 방사선 패턴을 형성한다.

 

천문학적 의의

중력 연구, 성간 매질, 중성자별의 특성을 포함하여 다양한 과학적 응용에 사용되었다. 가장 중요한 응용사례 중 하나는 아인슈타인의 일반 상대성 이론 테스트에 활용된 점이다. 일반 상대성이론은 무거운 물체의 중력이 근처 물체에서 방출하는 빛의 주파수에 변화를 일으킬 것이라고 예측한다. 이 효과는 중력 적색편이로 알려져 있는데 펄사는 이 예측을 테스트하기 위한 자연 실험실을 제공하였다. 펄스의 규칙성을 통해 과학자는 방출되는 방사선의 주파수에서 매우 작은 변화를 측정할 수 있었다.

 

펄사는 또한 별 사이의 공간을 채우는 물질인 성간 매질을 연구하는 데 사용되었다. 펄사의 복사선이 성간 매질을 통과할 때 자유 전자에 의해 산란된다. 이 산란으로 인해 펄사의 펄스가 왜곡되고 지연된다. 이 산란의 특성을 연구함으로써 과학자들은 성간 매질의 특성에 대해 알 수 있게 되었다.

 

관련 연구

펄사는 우주에서 극한의 물리학을 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공하기 때문에 천문학자들에게 큰 관심을 받고 있다. 그들은 중력 이론을 시험하고, 극한의 밀도에서 물질의 특성을 연구하고 은하수 구조를 조사하는 데 사용되고 있다. 그러나 아직 기술의 한계로 인해 최근 몇 년 동안의 연구는 탐지에 중점을 두고 있다. 이후 펄사의 비밀이 드러나게 된다면 양자와 블랙홀 등 여러 방면의 이론적 접근에 좀 더 도움이 될 것이라 기대되고 있다.