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펄서의 개념도. 중앙에 있는 구체는 중성자별을 뜻하며, 주변의 곡선은 자기장의 선을, 중성자별을 관통하고 있는 푸른 광선은 방출 빔을 의미한다.

가시광선 및 엑스선 영역으로 관측한 게성운을 합성한 사진. 주변 펄서풍 성운에서 자기장과 중심부 펄서에서 나오는 입자들로 인해, 싱크로트론 방출을 보여주고 있다.

펄서(pulsar) 또는 맥동전파원(脈動電波源)은 고도로 자기화된, 관측 가능한 전파의 형태로 전자기파의 광선을 뿜는, 자전하는 중성자별이다. 다른 말로 맥동전파원(Pulsating Source of Radio)이라고도 하며, 펄서를 표시하는 기호 PSR은 맥동전파원의 약자이다. 펄서는 1.5밀리초에서 8.5초 사이의 주기로 광선을 방출한다. 방출 빔이 지구를 향할 때만 펄서의 복사 활동을 관측할 수 있다. 이러한 펄서의 활동을 등대효과라고 부르며 마치 맥박치는 존재 같다고 하여 펄서로 이름지어진 계기가 되었다. 중성자별들은 매우 밀도가 높은 천체이기 때문에 자전 주기와 그로 인한 맥동이 매우 규칙적이다. 일부 펄서들의 경우 맥동의 규칙성은 원자 시계와 비교될 수 있을 정도로 정확하다. 펄서들은 PSR B1257+12처럼 주변에 자신을 공전하는 행성들을 거느리기도 한다. 2006년 막스 플랑크 외계물리학 연구소의 베르너 벡커는 "펄서가 어떻게 방사선을 뿜어 내는지에 대한 이론은 40년 가까운 연구에도 불구하고 걸음마 단계에 있다."라고 말했다.

역사

발견

펄서를 처음 발견한 사람은 조셀린 벨 버넬과 안토니 휴이시였다(1968년 7월). 문제의 천체는 이상할 정도로 정확한 간격으로 빛의 파장을 방출하고 있었기 때문에, 이들은 이 천체가 뿜는 빛이 외계 지성체가 보내는 메시지라고 생각했으며, 이 수수께끼의 파장에 LGM-1(작고 푸른 사람, Little Green Men)이라는 명칭을 붙였다(이는 외계 지성체를 희화하여 부르는 명칭이다). 이후 LGM-1이 펄서로 판명된 뒤 CP 1919라는 새 명칭이 붙었다. 현재 LGM-1은 PSR 1919+21, PSR B1919+21, PSR J1921+2153 등의 이름으로 불리고 있다.

마틴 리즈에 따르면, 펄서를 외계 지성체가 쏘는 '등대'라고 주장하는 의견이 있었으나 발견 당시에는 거의 받아들여지지 않았다고 했다. 그러나 천체물리학자 피터 A. 스터록은 펄서를 통해 외계 생명체의 존재가 '심각하게 고려되고 있으며, 사람들은 이 사실을 숨기려고 한다. 만약 이 사실이 진실로 드러나면 과학자들은 외계 생명체의 존재를 진지하게 선언하지 않으면 안 될 것이다'라고 언급했다.(스터록, 154)

CP 1919는 전파를 방출하고 있었으나, 이후 발견된 펄서들은 엑스선과 감마선을 방출하고 있음이 확인되었다.

펄서라는 단어는 '맥동 현상을 보이는 별(pulsating star)'을 압축하여 만든 신조어이다. 이 단어는 1968년 논문에서 처음 등장했다.

1968년 토마스 골드와 프랑코 파치니는 각자 독립적으로 펄서가 회전하는 중성자별일 것이라고 예측했다. 얼마 지나지 않아 게성운에 있는 펄서는 33밀리초 간격으로 빠른 맥동 현상을 보여주고 있음이 발견되었다.

1974년 안토니 휴이시는 펄서를 발견한 공로에 힘입어 노벨 물리학상을 처음 수상한 천문학자가 되었다. 그러나 안토니 휴이시의 조교로 일하는 벨이 펄서를 가장 먼저 발견했음에도 노벨상을 받지 못했고 공로를 휴이시가 독점했다는 사실 때문에 많은 논란이 있었다.

돛 펄서와 그 주변에 둘러 있는 펄서풍 성운.

이후의 역사

1974년 조세프 후튼 테일러 주니어와 러셀 훌스는 쌍성계 내에 있는 펄서 PSR B1913+16를 최초로 발견했다. 이 펄서는 겨우 8시간 주기로 다른 중성자별을 공전한다. 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 이 항성계가 강한 중력파를 발산하여 공전 궤도가 궤도 에너지를 잃으면서 지속적으로 수축하는 것의 원인이 되어야 한다는 것을 예측한다. 펄서를 관측한 결과 이 예상은 옳은 것으로 검증되었으며, 중력파의 존재를 증명하는 첫번째 사례를 제공했다. 2004년 기준으로 이 펄서에서 관측되는 자료들은 일반 상대성 이론과 잘 맞는다. 1993년 테일러와 러셀 훌스는 이 펄서를 발견함으로써 노벨 물리학상을 수상했다.

1982년 시리 쿨카르니와 돈 백커는 겨우 1.6밀리초 자전 주기를 갖는 펄서 하나를 발견했다. 관측 결과 천문학자들은 이 펄서의 자기장이 일반적인 펄서들보다 훨씬 약함을 발견했다. 이후 더 자세한 연구를 통해 '밀리세컨드 펄서(MSPs)'라는 새로운 천체가 존재함이 입증되었다. 밀리세컨드 펄서는 엑스선 쌍성의 최종 진화 형태로 생각된다. 이들의 비정상적으로 빠르고 안정적인 자전 양상 때문에, 천문학자들은 밀리세컨드 펄서들을 지구상에 가장 정확한 원자 시계의 정확성을 가늠하는 도구로 사용한다. (Factors affecting the arrival time of pulses at the Earth by more than a few hundred nanoseconds can be easily detected and used to make precise measurements.) 펄서 타이밍을 통해 얻을 수 있는 물리적 매개 변수들로는 펄서의 3차원적 위치와, 고유 운동, propagation path에 걸쳐 있는 electron의 내용, 동반 천체의 궤도 요소, 펄서의 자전 주기, 시간에 따른 진화 양상 등이 있다.(이들은 펄서 연구를 위해 특성화된 컴퓨터 프로그램 템포의 원시간자료를 통해 계산된다) After these factors have been taken into account, deviations between the observed arrival times and predictions made using these parameters can be found and attributed to one of three possibilities: intrinsic variations in the spin period of the pulsar, errors in the realization of Terrestrial Time against which arrival times were measured, or the presence of background gravitational waves. Scientists are currently attempting to resolve these possibilities by comparing the deviations seen amongst several different pulsars, forming what is known as a Pulsar Timing Array. With luck, these efforts may lead to a time scale a factor of ten or better than currently available, and the first ever direct detection of gravitational waves.

인류가 최초로 찾아낸 외계 행성은 밀리초펄서 주위를 도는 행성으로, 알렉산더 볼시찬이 발견했다. 이 발견으로 인해 태양계 너머 행성들의 존재가 흔함을 알게 되었다. 그러나 펄서 근처의 행성에는 강력한 복사 에너지 때문에 생명체가 탄생할 확률은 희박한 것으로 알려져 있다.

펄서의 종류

펄서의 뚜렷한 세가지 종류들은 천문학자들에 의해 알려지고, according to the source of energy that powers the radiation:

• Rotation-powered pulsars, where the loss of rotational energy of the star powers the radiation
• Accretion-powered pulsars (accounting for most but not all X-ray pulsars), where the gravitational potential energy of accreted matter is the energy source (producing X-rays that are observable from Earth), and
• Magnetars, where the decay of an extremely strong magnetic field powers the radiation.

Although all three classes of objects are neutron stars, their observable behaviour and the underlying physics are quite different. There are, however, connections. For example, X-ray pulsars are probably old rotation-powered pulsars that have already lost most of their energy, and have only become visible again after their binary companions expanded and began transferring matter on to the neutron star. The process of accretion can in turn transfer enough angular momentum to the neutron star to "recycle" it as a rotation-powered millisecond pulsar.

작명

원래 펄서들의 이름은 발견한 천문대의 글자 뒤에 적경을 덧붙이는 식으로 지었다.(예: CP 1919) 펄서들이 점점 많이 발견되면서 발견 대상에 붙는 기호들이 갈수록 복잡해져 갔다. 따라서 맥동전파원(Pulsating Source of Radio)의 약자인 PSR 뒤에 펄서의 적경과 적위를 표시하는 방식으로 바뀌었다. (예: PSR 0531+21) 가끔 적위를 세 자리 수로 표시하기도 한다.(예: PSR 1913+167) 다수의 펄서가 서로 가까이 붙어 있는 경우, 이들을 구별하기 위해 영문 대문자를 뒤에 덧붙이기도 한다.(예: PSR 0021-72C과 PSR 0021-72D)

현재의 규칙으로는 옛날에 발견된 펄서의 숫자 앞에는 원기 1950.0을 뜻하는 B를 붙인다. 최근에 발견된 모든 펄서에는 원기 2000.0을 뜻하는 J를 붙이며, 분각까지 포함한 적위를 함께 표시한다.(예: PSR J1921+2153) 1993년 이전 발견된 펄서들에는 J보다는 B 문자를 사용하는 경향이 있다.(예: PSR J1921+2153은 PSR B1919+21보다 더 널리 쓰인다) 최근에 발견된 펄서들에는 J만을 붙인다.(예: PSR J0437-4715) J가 붙은 모든 펄서들의 천구상 방위는 B보다 더 정확하다.

Glitch 예측

2006년 6월, 천문학자 존 미들디치와 그의 연구진은 at LANL announced the first prediction of glitches with observational data from the Rossi X-ray Timing Explorer. They used observations of the pulsar PSR J0537-6910.

Applications

The study of pulsars has resulted in many applications in physics and astronomy. Striking examples include the confirmation of the existence of gravitational radiation as predicted by general relativity and the first detection of an extrasolar planetary system.

As probes of the interstellar medium

The radiation from pulsars passes through the interstellar medium (ISM) before reaching Earth. Free electrons in the warm (8000 K), ionized component of the ISM and H II regions affect the radiation in two primary ways. The resulting changes to the pulsar's radiation provide an important probe of the ISM itself.

Due to the dispersive nature of the interstellar plasma, lower-frequency radio waves travel through the medium faster than higher-frequency radio waves. The resulting delay in the arrival of pulses at a range of frequencies is directly measurable as the dispersion measure of the pulsar. The dispersion measure is the total column density of free electrons between the observer and the pulsar,

$\mathrm {DM} =\int _{0}^{D}n_{e}(s)ds,$

where $D$ is the distance from the pulsar to the observer and $n_{e}$ is the electron density of the ISM. The dispersion measure is used to construct models of the free electron distribution in the Milky Way Galaxy.

Additionally, turbulence in the interstellar gas causes density inhomogeneities in the ISM which cause scattering of the radio waves from the pulsar. The resulting scintillation of the radio waves—the same effect as the twinkling of a star in visible light due to density variations in the Earth's atmosphere—can be used to reconstruct information about the small scale variations in the ISM. Due to the high velocity (up to several hundred km/sec) of many pulsars, a single pulsar scans the ISM rapidly, which results in changing scintillation patterns over timescales of a few minutes.

주목할 만한 펄서들

• CP 1919: 최초의 전파 펄서(지금은 PSR 1919+21로 알려져 있다)로, 맥동주기는 1.337초이며 맥동 폭은 0.04초이다. 1967년 발견되었다.(네이처 217:709-713, 1968년).
• PSR 1913+16: 최초로 발견된 쌍성 펄서로, 둘의 공전 궤도는 일반 상대론에 의한 중력파 복사 방출로 인해, 정확한 비율로 변화하고 있다.
• PSR B1937+21: 최초의 밀리초 펄서.
• PSR J0437-4715: 가장 밝은 밀리초 펄서.
• Cen X-3: 최초로 발견된 엑스선 펄서.
• SAX J1808.4-3658: 최초로 발견된 강착 밀리초 엑스선 펄서.
• PSR B1257+12: 주위를 도는 외계 행성이 최초로 발견된 펄서.
• PSR J0737-3039: 최초로 발견된 펄서 쌍성계.
• SGR 1806-20: 마그네타로, 2004년 12월 27일 역사상 우리 은하 내 관측된 어떤 천체보다도 강한 에너지 폭발을 일으켰다.
• PSR B1931+24: 일정한 간격으로 에너지 방출과 중단을 반복하는데, 방출 기간은 1주일이며 중단 기간은 1개월이다. this pulsar slows down more rapidly when the pulsar is on than when it is off. [.. the] braking mechanism must be related to the radio emission and the processes creating it and the additional slow-down can be explained by a wind of particles leaving the pulsar's magnetosphere and carrying away rotational energy.
• PSR J1748-2446ad: 가장 빠르게 회전하는 펄서. 속도는 716 Hz이다.
• PSR J0108-1431, 지구에 가장 가깝다고 알려진 펄서. 이 펄서는 고래자리 방향으로 85 파섹 (280 광년) 위치에 있다. 그럼에도 불구하고, 이 펄서는 극도로 어둡기 때문에 1993년까지 발견되지 않았다. 덴마크 천문학자 Thomas Tauris가 오스트레일리아 및 호주 천문학자 팀과 제휴하여, Parkes 64미터 전파 망원경을 사용, 발견했다. 이 펄서는 보통의 전파 펄서 밝기의 1천분의 1 수준밖에 안 되는 에너지를 방출하고 있는데, 이를 통해 우리 은하에 이와 같이 매우 어두운 펄서가 50만 개 이상 존재할 것이며, PSR J0108-1431은 그들을 증명하는 빙산의 일각과도 같은 존재일 것이다.
• PSR J1903+0327: 태양과 같은 항성을 반성으로 거느리고 있는, 쌍성계의 일원으로 발견된 최초의 펄서.

참고

• Duncan R. Lorimer, "Binary and Millisecond Pulsars at the New Millennium", Living Rev. Relativity 4, (2001), http://www.livingreviews.org/lrr-2001-5
• D. R. Lorimer & M. Kramer; Handbook of Pulsar Astronomy; Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers, 2004
• Ingrid H. Stairs, "Testing General Relativity with Pulsar Timing", Living Rev. Relativity 6, (2003): http://www.livingreviews.org/lrr-2003-5
• Peter A. Sturrock; The UFO Enigma: A New Review of the Physical Evidence; Warner Books, 1999; ISBN 0-446-52565-0

바깥고리

• A Pulsar Discovery - the detection of the first optical pulsar from the American Institute of Physics. Includes audio and teachers guides.
• The Discovery of Pulsars on H2G2
• Interview with Jocelyn Bell-Burnell on the discovery of pulsars (Jodcast) June, 2007 low quality version available
• The listing for the first pulsar (PULS CP 1919) in the Simbad database
• The ATNF Pulsar Catalogue
• Scientists Can Predict Pulsar Starquakes (SpaceDaily) Jun 07, 2006
• List of pulsars in binary systems
• XMM-Newton Makes New Discoveries About Old Pulsars (SpaceDaily) Jul 27, 2006
• Hot New Idea: How Dead Stars Go Cold Ker Than (SPACE.com) 27 July 2006 06:16 am ET
• Animation of pulsar 2008-01-17 01:58:AM MST

읽을거리

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