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KISTI 과학향기 제1812호

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증성자별이란 무엇인가?

자막
중성자별은 우주에서 가장 강력하고
폭력적인 것 들 중 하나입니다.
거대한 원자핵은
직경이 수 킬로미터에 불과하지만
항성만큼 무겁죠.
그리고 그들은 무언가의 장엄한 죽음으로부터
태어난 것으로 알려져 있습니다.
항성들은 부숴지기 쉬운 미묘한 균형을 이루고 있습니다.
수만, 수억, 수조 톤에 달하는 뜨거운 플라즈마(plasma)가
중력에 의해 당겨지고 있고,
그런 강력한 힘에 의해 압축된 원자핵들은
핵융합을 일으키게 됩니다.
수소가 헬륨으로 변하면서,
중력에 대항해서 밀어내는 힘을 방출하고
원자들은 탈출을 시도합니다
이 균형이 유지되는 동안은, 항성은 굉장히 안정적입니다.
결국에는, 수소가 다 소모되어 버립니다.
우리 태양같은 중간 크기의 항성은
헬륨을 탄소와 산소로 변화시키면서 점점 거대해지다가
결국에는 백색 왜성이 됩니다.
하지만 우리 태양보다 몇배 더 큰 항성은
헬륨을 다 소모했을 때 신기한 반응을 보입니다.
잠시동안은, 방사열과 중력의 균형이 깨지고
중력이 이깁니다. 이전보다 더 강하게 항성을 쥐어짜게 되죠
항성의 핵은 더 뜨겁고 빨리 불타기 시작하고,
항성의 바깥 부분은 수백배 팽창하고,
핵에서는 더 무거운 원소가 융합되기 시작합니다.
수 백년동안은 탄소가 네온으로 바뀌고
수 년동안은 네온이 산소로 바뀌고
수 개월동안 산소가 규소로 바뀌고
수 일동안 규소가 철로 바뀝니다.
그리고는...
죽음을 맞이합니다
철은 핵반응의 재와 같습니다.
더이상 만들 에너지도 없고,
더 이상 융합될 수 없죠
핵융합이 종료되자, 균형은 깨집니다.
핵융합으로 유지해오던 압력이 없이는
그 위에 있는 별의 막대한 질량에 의해 찌그러지게 됩니다.
이제부터 일어나는 일은 멋지고도, 무서운 일입니다.
양성자와 전자같은 입자들은
가까이 있기를 정말 싫어합니다.
하지만 붕괴하는 별의 압력은 정말 말도안되게 강력해서,
양성자와 전자가 중성자로 융합되며,
원자핵끼리 빼곡하게 뭉치게 됩니다.
지구 크기의 거대한 철 공이
도시크기의 순수한 원자로만 이루어진 공 수준으로 작아집니다.
항성핵 뿐만 아니라 항성 전체도 붕괴하기 시작합니다.
중력이 항성 외부층을
광속의 25%속도로 끌어당기기 시작합니다.
이러한 금속 핵으로부터의 파열은
충격파를 발생시켜 외부를 폭발시키고
항성의 남은 부분들을 우주로 날려버립니다.
이것이 우리가 흔히 초신성(supernova)폭발이라고 부르는 것이며
은하 전체를 밝게 비출 것입니다.
이제 항성에서 남은 것은 중성자 별입니다.
중성자별의 무게는 지구의 백만배에 달하지만
직경 25km크기의 물체만큼 압축되어 있습니다.
이러한 밀도는 굉장히 높아서 지구 전체 인구가
중성자별 물질인 직경 1cm의 육각형 안에 들어갈 정도입니다.
이는 대략 10억톤정도의 무게가
각설탕 정도의 공간에 들어가 있는 것입니다.
다른 예를 찾아보면, 에베레스트 산이
한잔의 커피에 들어가 있는 수준입니다.
밖에서 보면
중성자별은 믿기지 않을 정도로 극단적입니다.
중력은 블랙홀을 제외한 것들 중 가장 강하며
밀도가 여기서 더 커지면
결국 블랙홀이 될 것입니다.
빛이 별 주변에서 꺽이기 때문에
당신은 앞부분 뿐만 아니라 뒷부분 일부도 볼 수 있습니다.
중성자별의 표면은 섭씨 백만도 정도이며
겨우 섭씨 6천도 정도인 우리의 태양에 비교됩니다.
좋습니다. 그럼 중성자별의 내부를 볼까요?
거대한 원자핵을 가진 별임에도
여러면에서 단단한 표면과 액체 핵을 가진 행성들과 비슷합니다.
표면은 굉장히 단단합니다.
바깥층의 대부분은 초신성 폭발 후에 남은 철이며
크리스탈 격자로 뭉쳐서
그들 사이를 지나다니는 전자의 바다에 있습니다.
깊어질수록, 중력은 핵들을 더욱 가깝게 찌그러트립니다.
아주 많은 중성자들에 비해 적고 적은 양성자들이 보입니다.
껍질의 기반에 닿을 때까지,
핵들은 극도로 밀집되어 서로 닿기 시작합니다.
양성자와 중성자가 재배열되어,
긴 원기동이나 면을 이루고,
수백만 개의 양성자와 엄청난 양의 중성자가 스파게티와 라자냐 같은 모양을 이룹니다.
이것을 물리학자들은 핵 파스타라고 부릅니다.
핵 파스타는 너무 밀도가 높아서,
이것은 아마 우주에서 가장 강력한 물질일 것입니다.
기본적으로, 부서지지 않습니다.
중성자별의 파스타 덩어리는
몇 센티미터의 산을 만들 수 있는데,
히말라야보다 몇 배는 더 무겁습니다,
마지막으로, 파스타 아래에 핵이 있습니다.
우리는 이 물질의 성질을 확실히 알 수 없습니다.
극도로 밀집된 양성자와 중성자는 녹아서 쿼크의 바다를 이루게 되고
이를 쿼크-글루온 플라스마라고 부릅니다.
이중 몇몇 쿼크는 기묘한 쿼크가 되어
기묘한 물질을 구성합니다.
이 물질의 성질은 정말 극단적이어서, 우리는 따로 영상을 만들었습니다.
아니라면 그저 양성자와 중성자의 형태로 있을 수도 있습니다.
아무도 확실히 모르기에 우리는 과학을 배우는 것입니다.
그들은 모두 꽤나 무거운 것으로 이루어져 있습니다.
이제, 다시 우주로 나가봅시다.
중성자별이 처음 붕괴할 때,
발레리나가 팔을 모으는 것처럼, 그들은 매우 빠르게 회전하기 시작합니다.
중성자별들은 초당 여러 번 회전하는 천체의 발레리나입니다.
중성자별이 회전할 때마다 자기장이 전파를 쏘아 펄스를 만듭니다.
이 전파 광선들은 중성자 별 중 가장 잘 알려진 유형으로
우리은하에선 약 2,000여 개가 알려져 있습니다.
중성자별의 자기장은 우주에서 가장 강력하고
탄생 직후에는 지구의 것보다 천조 배 더 강력합니다.
그들은 조금 진정되기 전까진 마그네타(Magnetar)라 불립니다.
하지만 가장 흔한 중성자 별은 다른 중성자 별과 짝을 이룹니다.
중력파의 형태로 에너지를 방출함으로서
시공간이 물결치고, 궤도가 붕괴되며
서로 다가가다가 충돌하여
수많은 물질을 뿜어내는 킬로노바(Kilonova)로 이어집니다.
이것이 일어나면, 상황이 매우 극단적으로 변해
잠시 동안, 무거운 핵이 다시 만들어집니다.
이번에는 핵을 합치는 융합이 아니라,
중성자가 많은 무거운 물질이 떨어졌다가 재결합하는 것입니다.
매우 최근까지, 우리는 이것이 무거운 원소들의 기원일 것이라고 배워왔습니다.
금, 우라늄, 백금, 그리고 더 많은 것들이요.
이제 두 중성자 별이 붕괴하고, 다시 죽어가는 블랙홀이 되었습니다.
원소를 생성하며 두 별이 죽는 것으로 끝나지 않고,
그들은 블랙홀로써 한번 더 죽어야 합니다.
수백만 년에 걸쳐, 이 원자들은 다시 은하로 섞일 것입니다.
하지만 성운으로 남은 몇몇은
중력에 의해 당겨지며 항성과 행성을 만드러 내고
이 순환을 반복합니다.
우리의 태양계는 그 예 중 하나이고
인간보다 먼저 온 중성자 별의 남은 찌꺼기들은
모두 우리 주위에 있습니다.
우리의 모든 기술적 현대 사회는 과거에 중성자 별이 이온으로 만든 원소들로 구성되어 있고
이 원자들은 130억 년의 여행을 보내며
서로 합쳐지고, 우리와 우리의 세계를 만들게 합니다.
그리고 그것은, 꽤나 멋지죠.
그때부터, 우리는 종이에서 그것을 만나볼 수 있습니다.
12,020년 인류대 달력이 도착했습니다.
완판되기 전까지 구매할 수 있으며,
그리곤, 다시는 없습니다.
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수성에 조립된 다이슨 스웜을 타고 태양계 경계를 건너보세요.
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친구나 가족, 그리고 자녀를 위해 크리스마스에 받아보세요.
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관측 가능한 우주에서 태양과 같은 별의 생명 가능 지대에 수억, 수억 개나 되는 지구와 같은 행성이 있다는 사실이요.
그리고 당신은 그것들 중 어느 것도 방문하지 못할 것입니다.
최근 몇 년 간, 우리는 모두 팔았으니 서두를 필요는 없지만, 시간은 지나고 있으니까요.
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행복한 12,020년 성간 되세요.
기사
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번역자: Kurzgesagt – In a Nutshell
영상: Kurzgesagt – In a Nutshell
출처: https://www.youtube.com/watch?v=udFxKZRyQt4
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고도리
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제목에 오타가 있네요. 그 덕분에 기사 잘 읽고 가지만요.

2019-11-18

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