🌌 베일라 펄서 글리치, 12.6초 만에 별이 더 빨리 도는 놀라운 이유와 그 비밀 파헤치기

📑 목차

• 🌌 12.6초라는 숫자가 이상했다
• ⭐ 별 속에 또 다른 별이 돈다
• 🧮 계산이 안 맞는 지점
• 🔭 그래서 지금 어디까지 왔나

🌌 12.6초라는 숫자가 이상했다

지난주에 베일라 펄서(Vela pulsar, PSR B0833-45) 펄서 글리치 관측 자료를 정리하다가 한 문장에서 손이 멈췄다. 2016년 12월 12일, 태즈메이니아 마운트 플레전트 천문대의 26미터 전파망원경이 우연히 글리치가 일어나는 순간을 실시간으로 잡아냈는데, 자전 속도가 목표치까지 올라가는 데 걸린 시간이 12.6초 이하였다(Palfreyman 외, 2018, Nature Astronomy). 베일라는 자전주기가 89밀리초, 그러니까 1초에 열한 번 넘게 도는 별이다. 이 별이 순간적으로 더 빨리 돌기 시작하는 그 전환이 채 13초도 안 걸렸다는 뜻이다. 숫자만 보면 "빠르네" 하고 넘어갈 수도 있는데, 문제는 이게 기존 이론이 예측한 시간표와 안 맞는다는 데 있다.

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⭐ 별 속에 또 다른 별이 돈다

펄서는 태양보다 무거운 별이 초신성으로 터지고 남은 핵이다. 지름 20킬로미터 안에 태양 질량 1.4배가 눌려 들어가 있다. 이 안쪽 중성자들은 초유체(superfluid) 상태로 존재한다고 본다. 점성이 사실상 0이라 마찰 없이 흐른다. 초유체는 각운동량을 아주 가느다란 소용돌이 다발(vortex line) 형태로만 담을 수 있는데, 이 소용돌이들이 별의 딱딱한 겉껍질(crust) 격자에 들러붙는다. 이게 핀닝(pinning)이다.

바깥 껍질은 전자기 복사로 에너지를 잃으면서 계속 느려진다. 안쪽 초유체는 소용돌이가 껍질에 붙들려 있는 동안은 따라 느려지지 않는다. 두 층 사이 회전 속도 차이가 쌓이다가 임계점을 넘으면 소용돌이들이 한꺼번에 풀려나 바깥으로 미끄러지면서 갇혀 있던 각운동량을 껍질에 넘긴다. 껍질이 갑자기 빨라진다 — 이게 글리치다. 앤더슨과 이토가 1975년에 이 뼈대를 세웠고, 알파르가 1984년 논문에서 소용돌이 이동에 걸리는 시간까지 계산해 넣었다.

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🧮 계산이 안 맞는 지점

여기서 12.6초가 문제가 된다. 알파르식 소용돌이 크리프(vortex creep) 모델로 계산하면, 소용돌이가 핀닝 지점에서 풀려나 껍질까지 확산해 각운동량을 넘기는 데는 보통 수십 초에서 수 분이 걸려야 한다. 소용돌이 하나하나가 열적으로 활성화돼 튀어나오는 과정을 층층이 쌓아 올린 계산이라 그렇다. 실측은 그 하한값보다도 짧았다. 애슈턴과 동료들이 2019년에 같은 사건을 재분석했더니, 자전 속도가 목표치를 살짝 넘어섰다가 며칠에 걸쳐 다시 내려오는 오버슈트(overshoot)까지 나타났다. 급격한 전환과 느린 재조정이 한 사건 안에 같이 있었던 셈이다.

내가 눈여겨본 지점은 이게 소용돌이 개별 방출이 아니라 국소 구역이 통째로 풀리는 눈사태(avalanche)형 그림을 지지한다는 것이다. 멜라토스가 2008년에 제안한 통계 모델이 이 구도였다. 글리치 크기 분포를 나눠보면 큰 사건 몇 개와 작은 사건 다수로 갈리는데, 큰 글리치는 소용돌이가 넓은 구역에서 동시에 풀리는 눈사태형에, 작은 글리치는 국지적으로 조금씩 새는 크리프형에 가깝다. 베일라처럼 큰 글리치(ΔΩ/Ω가 10⁻⁶ 자릿수)를 주로 겪는 펄서와 게 펄서(Crab)처럼 훨씬 작은 글리치(10⁻⁸ 자릿수)를 자주 겪는 펄서가 나뉘는 이유도 여기서 실마리가 잡힌다. 껍질-핵 경계 근처 소용돌이 밀도와 핀닝 강도 분포가 다르면 눈사태가 커질지 작게 끝날지가 갈린다.

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🔭 그래서 지금 어디까지 왔나

큰 그림 — 초유체 소용돌이가 핀닝됐다 풀린다 — 은 여러 관측과 맞아떨어진다. 각운동량 보존 계산도, 글리치 후 며칠에서 몇 주에 걸친 완화 곡선도 이 틀 안에서 설명된다. 다만 2016년 실시간 관측이 보여준 12초짜리 급전환은, 소용돌이가 얼마나 빨리 뭉쳐서 움직일 수 있는지를 기존 계산이 과소평가하고 있었다는 뜻으로 읽힌다. 지금은 소용돌이끼리 서로 밀어내며 집단으로 움직이는 상호작용이나, 켈빈파(Kelvin wave) 같은 진동 모드를 통한 에너지 전달을 끌어와 이 속도 차이를 메우려는 계산들이 나오고 있다.

실시간으로 글리치를 통째로 잡아낸 사례가 아직 베일라 이 한 건뿐이라는 점도 짚어둘 만하다. 다음 글리치를 실시간으로 한 번 더 잡으면 12.6초가 예외적으로 빠른 사건이었는지, 원래 전환 속도가 이 정도인지 구분이 될 텐데, 그 데이터가 나오면 제일 먼저 찾아볼 생각이다.