중성자별

중성자별의 내부 구조.
단단한 껍질과 내부의 무거운 액체.

중성자별(中性子-, 중성자성)은 항성 진화에서 종점 중 하나이다. 중성자별은 무거운 항성이 항성 진화의 마지막 단계에서 II형, Ib형 혹은 Ic형 초신성을 겪은 다음에 남게 되는 핵이 중력 붕괴를 거치면서 만들어진다.

일반적인 중성자별은 태양 질량의 1.35배에서 2.1배에 해당하는 질량을 가지는 반면, 태양 반지름의 1/30,000에서 1/70,000에 해당하는 10-20 킬로미터의 반지름을 가진다. 그러므로 중성자별의 밀도는 원자핵의 밀도와 맞먹는 8×10¹³g/cm³ ~ 2×10¹⁵ g/cm³수준이다. 반면, 찬드라세카르 한계, 즉 외부 껍질이 날아간 이후에 남은 핵의 질량이 태양 질량의 1.44배 보다 가벼운 항성은 백색왜성으로 변하며, 외부 껍질을 제외한 핵의 질량이 1.44배보다 이상이면, 별의 자체 중력으로 인하여 원자핵과 전자의 경계가 모호해져 모든 내부 물질이 중성자로 바뀌는 중력 붕괴과정을 거친 후 블랙홀이나, 중성자성으로 변하게 된다.

중성자별은 원래의 별이 지니고 있던 각운동량의 대부분을 유지하는 반면, 중력으로 인해 반지름은 매우 작아져있는 상태이므로, 1.07초에서 30초 정도에 한바퀴라는 매우 빠른 자전 속도를 보이게 된다. 또한, 중성자별의 표면 중력은 지구 중력의 2×10¹¹배에서 3×10¹²배에 이른다. 중력을 측정하는 한가지 방법은 탈출 속도를 측정하는 것이다. 탈출 속도란 중력권에 있는 물체를 무한대의 거리로 옮겨가기 위해 필요한 속도를 의미한다. 중성자별에서 탈출 속도는 빛의 속도의 절반 정도인 150,000 km/s나 된다. 반대로, 어떤 물체가 무한대의 거리에서 중성자 별의 표면으로 낙하하게 된다면 그 낙하 속도 역시 150,000 km/s이 될 것이다. 만약 보통의 사람이 이 속도로 중성자별과 충돌하게 된다면, 이는 200 Mt 정도의 핵폭탄의 위력과 맞먹을 것이고, 이는 인류가 폭발시킨 가장 큰 핵폭탄인 차르 폭탄의 4배에 해당한다.

$\mathrm {{\frac {(150,000\ km/s)^{2}\times \ 70\ kg\times 1/2}{4.184\times 10^{15}\ J/Mt}}=188.2\ Mt}$

구조

중성자별의 구조는 수학적인 모델로 설명된다. 현재의 모델에 따르면, 중성자별의 표면은 일반적인 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 약 1 마일로 이루어진 이른바 "대기"를 지나게 되면 단단한 "껍질"에 이르게 된다. 깊이 들어갈 수록 보다 많은 중성자를 포함하는 원자핵이 존재하게 된다. 그렇게 많은 중성자를 가지는 원자핵은 지구에서라면 금방 붕괴해버릴 테지만, 중성자별 내부의 극도로 높은 압력하에서는 안정되어 존재한다. 중성자별 내부로 보다 깊숙이 들어가게 되면 이른바 "neutron drip line"을 통과하는 시점이 존재한다. 이 점을 통과하면, 중성자가 원자핵을 빠져나오게 되며, 자유 중성자로 존재하게 된다. 중심부로 갈수록 원자핵은 점점 작아지게 되며, 마침내 언젠가는 소멸하게 되리라고 생각된다. 이러한 중심부의 초고밀도 물질의 정확한 특성에 관해서는 현재 완전히 알려져 있지 않다. 이 이론적인 물질은 과학 소설 등에서 종종 뉴트로늄으로 언급되기도 한다. 하지만 뉴트로늄이라는 용어는 불명확성으로 인해 과학 문헌에서는 그다지 사용되지 않는다. 대신 축퇴물질이라는 용어가 사용되기도 한다. 중성자별의 중심부의 구성에 관해서 많은 이론이 존재한다. 우선, 대부분은 중성자로 구성된, 그러면서도 소수의 양성자와 전자가 존재하는 초유체로 구성되었을 것이라는 이론이 있다. 또는, 중성자 외에 파이온(파이중간자)이나 케이온(K중간자) 같은 고에너지 입자로 구성되었다고 설명하기도 한다. 위 쿼크나 아래 쿼크보다는 무거운 쿼크인 야릇한 쿼크로 구성되었을 수도 있으며, 강입자에 국한되지 않는 QCD 물질로 이루어졌을 수도 있다. 하지만 현재까지의 관찰로는 이러한 이론을 검증할 수 없는 형편이다.

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