About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
100여 년마다, 우주 어딘가에 있는 별 하나가 연료를 소진하게 됩니다. 이것은 수백 년에 걸쳐서 열과 압력이 별의 수소가 융합되어 더 무거운 원소인 헬륨, 칼슘, 질소, 그리고 철로 변화한 후 일어납니다. 더 이상 별의 구조를 유지할 수 있는 에너지를 만들어낼 수 없을 때 별은 자신의 중력에 의해 붕괴되고 초신성폭발을 하게 됩니다. 그 별은 자신의 내부원소를 우주로 퍼뜨립니다. 무거운 원소를 우주에 뿌리면서 말이죠. 그러나 격변하는 분출이 남긴 것은 더 놀랄만한 것일지도 모릅니다. 밀도가 매우 높아진 전자가 양자 궤도에서 원자핵으로 붕괴된 물질이 남게 됩니다. 그 별의 죽음은 바로 중성자 별의 탄생이죠. 중성자 별은 우주에서 가장 밀도가 높은 물체 중 하나입니다, 그리고, 초응축된 물질의 이상한 물리학 실험실이죠.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
그러면 중성자 별이란 무엇일까요? 양성자와 전자가 중성자로 융합되어 마찰이 없는 액체인 초유도체가 내부에서 형성된 작은 공을 상상해보세요. 이 공은 껍질에 싸여 있죠. 이 재료는 엄청나게 밀도가 높습니다. 이는 완전하게 적재된 컨테이너 선과 동일한 질량이 사람의 머리카락과 크기에 들어가거나 에베레스트 산이 각설탕 한 조각으로 축소되는 정도의 밀도죠. 껍질 속의 중성자 초유체는 물리학자들이 "핵 파스타"라고 부르는 다른 상태를 형성합니다. 왜냐하면 라자냐 모양의 초유동체가 스파게티 모양으로 압착되기 때문이죠.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
중성자별이 될 거대한 전구체는 종종 회전을 합니다. 전구체가 붕괴할 때 일반적으로 지름이 수백만 미터인 별들이 지름이 25km 밖에 안되는 중성자별로 압축됩니다. 하지만 원래 별의 각운동량은 보존됩니다. 따라서 피겨 스케이팅 선수들이 팔을 안쪽으로 가져오면 빠르게 회전하는 원리처럼 중성자 별은 원래 별보다 훨씬 더 빠르게 회전합니다. 기록상 가장 빠르게 회전하는 중성자별은 일초에 700번씩 회전하죠. 이는 표면 위에 한 점이 빛의 속도의 5분의 1의 속도로 공간을 돈다는 걸 의미합니다. 또한 중성자 별들은 그 어떠한 물체보다 강한 자기장을 가지고 있습니다. 이 자기 농도는 자극으로부터 광선을 방출하는 와류를 형성합니다. 자극이 별의 회전축과 항상 나란히 있는 것은 아니기 때문에 이 광선은 등대 불빛처럼 회전합니다. 이것을 지구에서 보면 반짝이는 것처럼 보입니다. 우리는 이것을 펄서라고 부릅니다. 사실, 1967년 조셀린 벨이라는 천체물리학자가 이 깜빡이는 빛 신호를 발견하여 우리는 처음으로 중성자 별의 존재를 확인할 수 있었습니다. 노후한 중성자 별은 수십억년의 시간동안 전자기파와 중력파의 형태로 에너지를 방출하기 때문에 별의 회전 속도는 점점 느려집니다. 하지만 모든 별이 조용히 사라지는 것은 아닙니다.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
예를 들면, 중성자 별이 다른 별과 궤도를 공유하는 쌍성계가 있습니다. 이 중성자 별은 대격동적으로 블랙홀도 붕괴되기 전에 더 가벼운 중성자별을 먹어 치울 수 있습니다. 많은 별들이 쌍성계를 이루지만,
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
두 중성자 별이 서로를 맴돌며, 점점 가까워져 합병되면서 운명의 왈츠에 맞춰 중성자 별 쌍성계가 생성되는 경우는 극히 드뭅니다. 이 두 별이 충돌할 때, 잔잔한 호수에 돌을 던져 생긴 물결처럼 중력파가 시공간으로 퍼져나갑니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
100년 전에 이 현상을 예측했지만, 중력파 관측소 LIGO와 VIRGO가 중성자 별 충돌을 관측했던 2017년이 되어서야 확인됐습니다. 다른 망원경들은 감마선과 빛의 폭발을 감지했습니다, 그리고 조금 뒤 같은 충격으로부터 엑스레이와 라디오 신호를 감지했습니다. 이것은 천문학 역사상 가장 많이 연구된 사건입니다. 중력의 속도를 찾는데 도움을 준 보물과 같은 데이터를 산출했을 뿐만 아니라, 천문학에서 중요한 이론을 강화했으며, 금과 백금과 같은 무거운 원소들의 기원에 대한 증거를 제공하였습니다. 중성자 별에 관한 모든 비밀을 아직 다 알지는 못합니다.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
LIGO와 VIRGO는 더 많은 충돌 감지를 위해 업그레이드 되고 있습니다. 고밀도이면서, 맥동하고, 회전하는 자석의 죽음이 우주에 대해 또 어떠한 것을 알려줄 수 있는지 우리가 깨닫는 데 도움이 될 것입니다.