대형 별이 초신성으로 폭발하고 중심핵이 내부로 붕괴하면서 압축돼 생기는 것이 중성자별이다. 별 표면의 원자가 붕괴하고 중성자만 남는다고 해 이런 이름이 붙었는데, 각설탕 하나 크기에 1억t에 달하는 물질이나 전 인류가 압축돼 담길 정도로 밀도가 높다.

이 중심핵의 질량이 태양 질량의 약 두 배를 넘어서면 중성자별 대신 중력에 붙잡혀 빛까지 빠져나오지 못한다는 블랙홀이 되는 것으로 알려져 있다. 중성자별의 물리적 한계인 셈인데, 이를 넘어선 지금까지 관측된 것 중 질량이 가장 큰 중성자별이 확인돼 학계에 보고됐다.

▲ 중성자별과 짝별인 백색왜성 상상도. 중성자별이 방출하는 펄스파가 짝별의 영향으로 지연되는 현상을 이용해 짝별과 중성자별의 질량을 계산해낼 수 있다.

미국 웨스트버지니아대학에 따르면 이 대학 천문학과 던컨 로리머 교수가 이끄는 연구팀은 지구에서 약 4천600광년 떨어진 곳에서 확인한 쌍성계 중성자별 'J0740+6620'에 대한 관측 결과를 과학저널 '네이처 천문학(Nature Astronomy)'을 통해 발표했다.

이 별은 자전하는 중성자별을 일컫는 펄서(pulsar) 중에서도 1천분의 1초 단위의 주기를 갖는 '밀리세컨드 펄서'로, 지름이 약 20~30㎞밖에 안 되지만 질량은 태양의 2.17배 달하는 것으로 나타났다.

연구팀은 J0740+6620이 지금까지 관측된 중성자별 중 질량이 가장 크다면서 천체가 블랙홀로 붕괴하기 전 질량과 밀도의 한계를 보여주는 것이라고 지적했다.

연구팀은 웨스트버지니아주 그린뱅크에 있는 직경 100ｍ의 전파 망원경을 이용해 밀리세컨드 펄서를 중심으로 중력파를 관측하다 이 별을 우연히 발견했다고 밝혔다.

중성자별의 질량은 '사피로 시간 지연' 현상을 통해 측정한다. 중성자별이 초고속으로 자전하면서 방출하는 펄스파는 짝별인 백색왜성의 중력 영향을 받아 1천만분의 1초가량 아주 미세한 지연 현상이 발생하는데, 이를 측정해 백색왜성의 질량을 파악할 수 있으며 이 짝별의 질량을 토대로 중성자별의 질량까지 알아낼 수 있다고 한다.

논문 공동저자인 미국국립전파천문대(NRAO)의 스콧 랜섬 박사는 "중성자별은 내부 밀도가 높아져 중성자마저 중력에 압도돼 붕괴하는 급변점(tipping point)을 갖고있다"면서 "우리가 찾아내는 '가장 질량이 큰' 중성자별은 이런 급변점을 규명하는데 더 가까이 다가서게 되고, 경이로운 밀도를 가진 물질의 물리학에 대한 이해를 넓히는 데 도움을 줄 것"이라고 했다.

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