🌌 1초 642번 도는 밀리초 펄사, 원자시계보다 정확한 이유

📑 목차

• 🛰️ GPS 오차 3미터 뒤에 숨은 이상한 사실
• ⭐ PSR B1937+21, 1초에 642번 자전하는 별
• ⏱️ 세슘 원자시계가 시간이 지나면 틀어지는 이유
• 🌀 중성자별이 안 흔들리는 진짜 이유는 관성모멘트
• 🔭 2023년 NANOGrav가 이 정밀도로 찾아낸 것

🛰️ GPS 오차 3미터 뒤에 숨은 이상한 사실

내비게이션 앱을 켜면 내 위치가 오차 3미터 안팎으로 딱 맞는 게 당연하다고 여기고 살았다. 그런데 이 정확도를 떠받치는 게 원자시계라는 걸 알고 나서, 정작 그 원자시계보다 더 정확하게 시간을 재는 대상이 하늘에 떠 있다는 글을 보고 좀 어리둥절했다. 그것도 인공물이 아니라 죽어가는 별, 펄사(pulsar)라니. 원리를 찾아보니 생각보다 훨씬 구체적인 물리가 걸려 있었다.

---

⭐ PSR B1937+21, 1초에 642번 자전하는 별

1982년 도널드 배커(Donald Backer)와 시리니바스 쿨카르니(Shrinivas Kulkarni) 연구팀이 처음 발견한 밀리초 펄사 시계 정확도의 대표 사례인 PSR B1937+21은 자전 주기가 1.5578밀리초, 그러니까 1초에 약 642바퀴를 돈다. 지름 20km 남짓한 중성자별이 태양 질량의 1.4배에 달하는 물질을 뭉쳐 넣고 이 속도로 돈다는 게 이 별의 정체다. 자전축이 자기극과 어긋나 있어서, 지구에서 보면 등대 불빛처럼 규칙적으로 전파 펄스가 깜빡인다. 이 깜빡임 간격이 놀라울 만큼 일정해서, 관측 장비만 충분히 정밀하면 시계로 쓸 수 있다.

---

⏱️ 세슘 원자시계가 시간이 지나면 틀어지는 이유

원자시계는 세슘-133 원자가 특정 에너지 준위를 오갈 때 내는 전자기파 진동을 센다. 1초는 이 진동이 정확히 91억 9263만 1770번 일어나는 시간으로 정의돼 있다. 문제는 이 진동수를 측정하는 과정 자체가 환경에 취약하다는 점이다. 원자가 주변 열복사에 노출되면 진동수가 미세하게 밀리는 '흑체복사 편이(BBR shift)'가 생기고, 원자분수 방식에서는 원자들끼리 충돌하면서 오차가 쌓이며, 국부 발진기와 원자 신호를 번갈아 참조하는 과정에서 생기는 '딕 효과(Dick effect)'도 무시 못 한다. NIST가 만든 최고 성능 분수시계 NIST-F2조차 이런 오차를 억누른 결과가 3억 년에 1초 수준이고, 실제 GPS 위성에 실리는 소형 세슘시계는 이보다 훨씬 거칠어서 지상국이 매일 보정 신호를 쏴줘야 오차가 안 쌓인다.

---

🌀 중성자별이 안 흔들리는 진짜 이유는 관성모멘트

펄사가 정확한 건 신비로운 힘이 아니라 순전히 물리량의 크기 문제다. 태양 질량의 1.4배를 반지름 10km 안에 욱여넣으면 관성모멘트가 지구 자전보다도 훨씬 커진다. 관성모멘트가 크다는 건 같은 크기의 외력이 가해져도 회전 속도가 바뀌는 정도가 그만큼 작아진다는 뜻이다. PSR B1937+21의 자전 주기는 1년에 약 10의 -19제곱 초 수준으로만 느려진다. 이건 자기장에 의한 복사 제동으로 아주 서서히, 그리고 완전히 예측 가능한 방식으로만 느려진다는 뜻이라, 천문학자들이 이 감속률 자체를 수식에 넣어 보정하면 남는 오차가 원자시계의 환경 노이즈보다 작아진다. 세슘 원자가 열과 충돌에 흔들리는 '가벼운 저울'이라면, 중성자별은 웬만한 힘으로는 눈금이 안 움직이는 '거대한 플라이휠'인 셈이다.

---

🔭 2023년 NANOGrav가 이 정밀도로 찾아낸 것

이 정밀도가 실제로 쓰인 사례가 2023년 6월 나왔다. 북미 연구팀 NANOGrav가 15년치 밀리초 펄사 68개의 타이밍 데이터를 분석해 Astrophysical Journal Letters에 발표한 논문(제1저자 Gabriella Agazie 외 190여 명)에서, 여러 펄사의 도착 시각이 미세하게 서로 연관되어 늘어나고 줄어드는 패턴을 확인했다. 이 상관관계 패턴은 헬링스-다운스 곡선(Hellings-Downs curve)이라 불리는 이론적 예측과 일치했는데, 이는 초대질량 블랙홀 쌍들이 만들어내는 나노헤르츠 대역 중력파 배경의 증거로 해석됐다. 같은 시기 유럽의 EPTA, 호주의 PPTA, 중국의 CPTA도 독립적으로 비슷한 신호를 보고했다. 나노초 단위로 15년을 버텨야 잡히는 신호라, 애초에 펄사가 이 정도 안정성을 갖지 못했다면 시도조차 불가능했을 관측이다.