🌌펄서가 넘어지기 직전, 1969년부터 이어져온 중성자별 글리치 신호의 은밀한 비밀을 추적하다

📑 목차

• 🛰️ 1969년, 두 팀이 동시에 발견한 이상 신호
• 🌀 왜 별마다 어긋나는 정도가 천차만별일까
• ⏱️ 2016년 벨라 글리치, 12.6초 만에 벌어진 일
• 📈 예측 가능한 글리치도 있다, PSR J0537-6910 이야기
• 🔄 반대로 도는 별도 있다는 게 함정

지난주에 NICER 관측 데이터베이스를 뒤적이다가 이상한 그래프를 하나 발견했어요. PSR J0537-6910이라는 펄서의 자전 주기를 시간순으로 쭉 늘어놓은 그래프인데, 완만하게 느려지던 선이 어느 지점에서 수직으로 뚝 끊기더라고요. 처음엔 관측 오류인 줄 알았어요. 그런데 알고 보니 이게 실제 현상이고, 이 별만 벌써 45번 넘게 이런 식으로 '어긋났다'는 걸 알고 나서 며칠 동안 이 주제만 파고 있었습니다.

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🛰️ 1969년, 두 팀이 동시에 발견한 이상 신호

이 현상이 처음 기록된 건 1969년, 벨라 펄서(Vela pulsar)에서였어요. 흥미로운 건 이걸 발견한 게 한 팀이 아니라 두 팀이었다는 점이에요. 호주의 라다크리슈난과 맨체스터(Radhakrishnan & Manchester) 팀, 그리고 미국 JPL의 라이클리와 다운스(Reichley & Downs) 팀이 서로 독립적으로 같은 해에 네이처에 논문을 냈습니다. 두 팀 다 벨라 펄서의 자전 주기가 아주 짧은 시간에 갑자기 짧아졌다가(=더 빨리 돈다는 뜻) 다시 서서히 원래 속도로 돌아가는 걸 확인했어요. 이후 이 중성자별 별진(글리치) 현상이라는 이름이 붙었고, 지금까지 200개 넘는 펄서에서 수천 번의 글리치가 기록됐습니다.

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🌀 왜 별마다 어긋나는 정도가 천차만별일까

글리치의 크기는 펄서마다 자전 속도 변화량이 10만분의 1 수준일 때도 있고, 벨라 펄서처럼 100만분의 1 정도 뛰는 경우도 있어요. 이 차이가 그냥 랜덤은 아니고, 앤더슨과 이토(Anderson & Itoh)가 1975년 네이처에 낸 논문에서 제시한 모델이 지금까지 가장 널리 받아들여지는 설명이에요. 중성자별 내부는 초유체 상태인데, 이 초유체는 미세한 소용돌이(vortex) 형태로 각운동량을 저장하고 있다가, 별의 딱딱한 지각(crust)에 걸려 있던 소용돌이 다발이 한꺼번에 풀려나면서 갑자기 각운동량이 지각으로 전달된다는 거예요. 이 소용돌이가 얼마나 많이, 얼마나 갑자기 풀리느냐에 따라 글리치 크기가 결정된다고 보는 거죠. 그런데 이 이론만으로는 '왜 하필 그 순간에' 풀리는지는 여전히 설명이 안 됩니다.

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⏱️ 2016년 벨라 글리치, 12.6초 만에 벌어진 일

여기서부터가 제가 이번에 새로 알게 된 부분인데요, 2016년 12월 태즈메이니아의 마운트 플레전트 관측소가 벨라 펄서를 초 단위로 연속 관측하던 중 실제 글리치가 일어나는 순간을 그대로 잡아냈어요. 팔프레이만(Palfreyman) 연구팀이 2018년 네이처에 발표한 결과에 따르면, 자전 속도 변화가 12.6초도 안 되는 시간 안에 끝났습니다. 그 전까지는 글리치가 며칠에 걸쳐 서서히 일어나는 줄 알았는데, 실제로는 거의 순간적이었던 거예요. 게다가 애슈턴(Ashton) 연구팀이 2019년 이 데이터를 다시 분석하면서, 글리치 본격적인 스파이크가 오기 직전에 아주 미세한 선행 신호(precursor)가 있었다는 걸 찾아냈습니다. 이게 사실이라면 글리치가 한 번에 일어나는 사건이 아니라 두 단계로 나뉘어 있을 가능성이 있다는 뜻이라, 지금도 이 부분은 계속 논쟁 중이에요.

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📈 예측 가능한 글리치도 있다, PSR J0537-6910 이야기

처음에 제가 봤던 그래프의 주인공, PSR J0537-6910은 좀 특별합니다. 대부분의 펄서는 글리치가 언제 올지 전혀 예측이 안 되는데, 이 별은 대략 100일에서 200일 사이 주기로 규칙적으로 글리치가 발생해요. 더 흥미로운 건 호(Ho) 연구팀이 2020년 NICER 데이터를 분석해 발표한 결과인데, 이 별에서는 글리치의 크기와 다음 글리치까지 걸리는 시간이 거의 선형 관계를 이룬다는 겁니다. 즉 이번에 얼마나 크게 어긋났는지만 보면 다음 글리치가 언제쯤 올지 상당히 정확하게 짐작할 수 있다는 거예요. 이 규칙성 덕분에 연구자들은 이 별의 내부 구조, 특히 초유체가 차지하는 질량 비율까지 역산하려는 시도를 하고 있습니다.

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🔄 반대로 도는 별도 있다는 게 함정

그런데 이 깔끔한 그림에 균열을 낸 사례가 있어요. 2013년 아치볼드(Archibald) 연구팀이 네이처에 발표한 논문에서, 마그네타 1E 2259+586이라는 별에서 글리치와 정반대인 '안티글리치'를 관측했다고 보고했습니다. 갑자기 빨라지는 게 아니라 갑자기 더 느려진 거예요. 초유체 소용돌이가 풀리면서 각운동량을 넘겨주는 모델로는 이걸 설명하기 어렵습니다. 결국 지금 우리가 가진 이론은 대부분의 글리치는 잘 설명하지만, 예외를 다 품지는 못한다는 얘기죠. 별 하나가 도는 속도 하나 바뀌는 게 뭐 그리 대단한 일인가 싶었는데, 파고들수록 아직 다 못 푼 문제라는 걸 알게 됐습니다.