1편 : 전자의 신기한 성질을 알아보자 https://www.ilbe.com/9659136720


이번 편은 위의 '전자의 신기한 성질을 알아보자'의 후속편이며 백색왜성과 중성자별을 좀 더 자세히 뜯어볼 예정이다.


1편의 내용을 간략하게 요약하자면 이렇다.


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전자라는 놈은 되게 신기한 성질을 지녔다. 주어진 환경에 따라 알갱이의 성질을 가지거나 혹은 물결치는 파동의 성질을 가질 수 있다.


우리는 이를 '이중성'이라 부른다. 그 외에도 광자를 냠냠하여 존나빨리 가속하거나 하는 양자역학적인 면모도 보이며


심지어는 우주공간에서 뿅 나타났다가 뿅 사라지기도 한다.


그 중에서 단언컨대 신기한 성질은 바로 '축퇴'라는 현상일 것이다.


'축퇴'라는 한자어를 쉽게 풀이하자면 찌그러졌다는 뜻인데, 전자들이 좁은 공간에 다닥다닥붙어서 요상한 성질을 띄게 되는 현상을 말한다.


축퇴를 시키는 과정은 상당히 힘들지만 일단 축퇴를 시키면 이녀석들은 좁은공간에 발 디딜 틈도 없이 몰려있으나 충돌조차 하지 않는


초유체적 성질을 지니며(입자간 반발력이 없음), 일반적인 전자들보다 그 압력이 훨씬 쎄다.



좀 더 자세한 설명을 원한다면 위의 링크를 타고 들어가서 감상하길 바란다.



1. 백색왜성


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1편에서도 잠깐 언급했지만 이 백색왜성이라는 놈은 전자축퇴압의 가장 대표적인 예로 꼽을 수 있는 천체이다.


우리가 보통 상상하는 백색왜성은 틀딱별이 바깥에 있는 기체를 싸그리 날려버리고 중심부만 남은 앙상한 모양일 것이다.


하지만 백색왜성은 그리 호락호락하게 만들어지지 않는다.


'별'은 그 자체로 정역학적 평형을 유지하고 있는 고립된 녀석이라고 간주할 수 있는데, 정역학적 평형은 쉽게말해 이새끼가 아무것도 하지 않고


그냥 가만히 있는것처럼 보이는 상태를 뜻한다.


별의 경우, 안쪽으로 수축하려는 중력과 핵융합 혹은 매우 높은 온도로 인한 기체와 광자의 압력이 상호간에 평형을 이루고 있다고 보면 된다.


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일게이들이 패드립으로 키배를 뜨고 있을 때 제 3자가 보기엔 그 둘이 전혀 아무렇지도 않게 패드립을 치는 것으로 보일 수 있다.


그래서 제 3자가 보기에 이 둘은 각각 정역학적 평형상태에 있다고 볼 수 있다.


하지만 그들은 사실 자기 애미의 보지가 태평양이라느니 블랙홀이라느니 하는 팩트폭력에 부들부들 거리고 있을 수 있다.


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정작 자기자신은 폭발하기 일보 직전인데 우리가 겉으로 보기엔 아무렇지도 않는다는 거지.


내부적으로는 이리치이고 저리치이고 폭발하기 직전이라지만 우리가 겉으로 봤을 때 아무렇지 않다면, 이를 정역학적 평형상태라 본다.


참아야 한다는 감정과 터뜨려야 한다는 감정이 서로 맞부딪힌거지.




말이 좀 샜는데, 별은 이러한 정역학적 평형상태에 있다고 본다.


이 평형상태는 별이 틀딱충이 되어 존나게 커졌을 때에도 성립한다.


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보통 별이 마지막단계에 이르면 존나 팽창하게 되는데, 우리가 겉으로 봤을 때 이새끼가 정역학적 평형상태를 이루려면


반대로 내부 어딘가에선 수축을 하고 있어야 한다는 결론에 도달하게 된다. 


결국 이새끼가 내부에서 수축하면서 만들어진 놈이 '백색왜성'이라는 것이다.(팽창하는 외부는 어느순간 중력을 이겨내어 우주공간으로 탈출)


이렇게 수축만 한다면 결국에는 한 점으로 모여서 블랙홀이 탄생하겠지만 물리학은 이를 허용하지 않는다.


중력이 가장 먼저 만난 녀석은 바로 전자축퇴압이다.


별이 수축하면 할수록 직경은 줄어들지만 별 자체의 질량을 거의 그대로 간직한 채로 크기만 줄어들기 때문에 표면중력이 애미뒤지게 커진다.


하지만 표면중력만 커지진 않는다. 동일한 질량을 가진 물체의 부피가 줄어드는 것이기 때문에 밀도가 계속해서 증가하게 되는 것.




밀도가 증가하여 어느 순간을 넘어가게 되면 전자새끼들이 축퇴가 되어(짜부라져서) 축퇴압을 발생시키는데, 


이 축퇴압이 진짜 존나쎄서 엄청나게 커져버린 표면중력을 아주 가뿐하게 제압해버린다.


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이 상태가 되면 축퇴압과 표면중력 중 누가누가 쎄나 줄다리기를 시작하게 되는데, 내부에선 이렇게 줄다리기를 하며 싸우지만


겉으로 보기에는 매우 평화롭다. 즉, 정역학적 평형상태가 만들어진 것이다.


우리는 이를 백색왜성이라 부른다.


이 백색왜성의 한계질량은 태양질량의 약 1.46~1.48배정도이며 이 질량을 넘어가게 되면 백색왜성은 터지거나 쪼그라들게된다.


터지는 경우는 보통 외부로부터의 물질유입으로 인해 발생하며, 우리는 이러한 폭발을 Type 1a 초신성 폭발이라고 한다.


이새끼의 경우 태양질량의 약 1.46~1.48배쯤 되는 백색왜성이 터질 때에만 나타나기 때문에 우주 어느 곳에서도 밝기가 일정하다. 


그래서 천문학자들은 이 초신성폭발을 표준촛불(Standard Candle)이라 부르기도 한다.




쪼그라들게 되면 또다른 새로운 녀석이 태어나게 되는데, 이 별은 중성자별이다.



2. 중성자별


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백색왜성 내부에서 발생한 전자축퇴압은 1편에서 언급했듯, 전자가 가진 모멘텀과 관련있다. 그러면 중성자 축퇴압은 당연히 중성자가 가진 모멘텀과


관련 있겠지?




중학교 과정을 성공적으로 마쳤다면 우리는 아마 이런 공식을 알고 있을 것이다.


p = mv


p는 운동량(모멘텀)이고, m는 질량, 그리고 v는 속도이다.


운동량이 질량과 속도의 곱으로 표현된다는 존나 단순한 식이다.


m이야 질량이니깐 그 크기의 제약이 없다고 하지만 v는 다르다. v는 많은 일게이들이 알다시피 빛의속도보단 작다.


단순하게 생각해보면 어떤 입자가 가질 수 있는 모멘텀은 그 크기가 제한적일 수밖에 없는 것이다.


모멘텀의 크기가 제한적이기 때문에 그로 인해 발생하는 축퇴압 역시 최대치가 존재할 것이며,




만약 수축하는 별의 질량으로 인한 표면중력이 이 맥시멈 모멘텀으로 생기는 전자축퇴압보다 크다면


전자축퇴압으로 발생하는 정역학적 평형상태는 존재하지 않게 된다.


이말인즉슨, 또다른 정역학적 평형이 만들어질 때까지 별은 계속계속 수축한다는 소리다.(위의 설명은 단순히 이해를 돕기 위해 도입한 내용임.)




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중력이 다음으로 넘어야 할 장벽은 바로 중성자 축퇴압이다.


표면중력이 너무 쎄서 전자까지 꽉꽉 눌러버리게 되면 양성자와 전자는 한데모여 중성자를 이루게 된다.


이때 안티 뉴트리노라는 입자가 같이 들어가는데, 이를 우리는 베타붕괴의 역과정이라 한다. ( n <-> p + e + v)



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중성자의 질량은 전자의 2천배 정도이기 때문에 그로 인해 생기는 모멘텀도 거의 2천배라고 보면 된다.


모멘텀이 2천배이기 때문에 이 엄청난 모멘텀으로 인한 중성자 축퇴압 역시 애미뒤지게 높을 것이며 표면중력은 이 엄청난 중성자 축퇴압에 


또다시 막혀버리고 만다.


이 때 새로운 정역학적 평형이 탄생하며, 이 정역학적 평형의 결과물을 우리는 중성자별이라고 부른다.




3. 특징


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지금까지 백색왜성과 중성자별이 어떻게 만들어지는지 아주 간략하게 알아보았다.


그렇다면 이렇게 만들어진 백색왜성과 중성자별은 어떠한 성질을 지녔을까?


백색왜성의 밀도는 숟가락 한 스푼만한 부피에 수만톤정도 되는 수준이다. 아마 너희들이 백색왜성 위에 착륙을 하여 몸무게를 재본다면


수억톤까지 나갈 것이다.


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흑색왜성


백색왜성은 더이상 핵융합을 하지 않게 되므로 서서히 식어가게 되는데, 완전히 식어버려서 망원경으로도 관측이 불가능해졌을 때


우리는 이새끼를 흑색왜성이라고 부른다. 근데 백색왜성이 흑색왜성이 되려면 최소 수백억년은 있어야 하므로 사실상 거의 영원히 백색왜성인 것이다.




중성자별은 쪼금 다르다. 이새끼는 백색왜성이 쪼그라들거나 아니면 처음부터 존나 많은 질량을 가져야 하므로 백색왜성보다는 더욱 무거우며,


전자축퇴압을 이길 수준이 되어야하므로 밀도도 백색왜성보다 훨씬 높다.


중성자별의 밀도는 한 티스푼에 수천억톤이 뭉쳐져 있는 수준으로, 사실상 이새끼의 밀도가 가시적으로 관측가능한 천체중 가장 큰 놈이다.


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중성자별과 백색왜성 모두 각운동량 보존법칙에 의해 자전속도가 애미뒤지게 빠른데, 특히나 중성자별의 경우는


1초에 수천번 회전하는 새끼가 널려있다. 이렇게 1초에 수천번씩 회전하는 애들을 특별히 밀리세컨 펄서라고 부른다.


게다가 중성자별은 회전만 하는게 아니라 극지방으로 강력한 전자기파를 내뿜기도 하는데, 이러한 중성자별을 '펄서'라고 부르기도 한다.


또한 어떤 중성자별은 자기장이 지구자기장의 수십억배 이상으로 쎈데, 이정도 세기면 사람이 중성자별 근처 1000km이내로 접근해도


몸에 존재하는 물이 모두 자성이 생겨버려 분해되는 끔찍한 일이 벌어진다. 이러한 녀석을 마그네타라 부르기도 한다.




4. 또다른 천체, 쿼크별


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위의 내용들을 과학자들은 다음과 같이 정리하곤 한다.


'백색왜성은 전자축퇴압으로 붕괴를 버티는 녀석으로, 그 한계질량은 대략 태양질량의 1.46배정도 되고


중성자별은 중성자축퇴압으로 붕괴를 버티는 녀석으로, 그 한계질량은 대략 태양질량의 3배정도 된다.'


우리는 이론적으로 봤을 때 터지고 남은 찌꺼기가 태양질량의 3배가 넘어가면 블랙홀이 될 거라고 생각한다.


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근데 중성자별에서 블랙홀로 넘어가는 과정에 또다른 정역학적 평형이 존재하지 않을까 라는 생각을 할 수 있다.


1편에서 잠시 언급했듯, 페르미온에는 전자, 쿼크, 그리고 쿼크로 만들어진 바리온 물질들(중성자, 양성자)이 포함된다고 했었다.


이중에서 유일하게 쓰이지 않은 입자가 있다. 바로 쿼크.


이 쿼크는 아직까진 물질의 기본입자 중 하나라고 생각되고 있으며, 총 여섯 종류가 있다. (up, down, top, bottom, strange, charm)


그렇다면 이 쿼크로 인한 쿼크축퇴압도 존재해야 정상이지 않을까?


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가상의 천체 쿼크별


즉, 터지고 남은 질량이 엄청나게 많은데 하필 이새끼가 또 애매해서 태양질량의 3배보다 낮은 상태가 되면


중성자 축퇴압은 당연히 이겨버려서 중성자새끼도 분해될텐데, 그러면 분해된 쿼크로 인한 축퇴압이 다시 발생하여


중력을 막아내지 않겠냐 이말이다.


천문학자들은 이렇게 만들어진 가상의 천체를 '쿼크별'이라고 이름붙였다.


그렇다면 쿼크의 종류가 6개니깐 6개의 서로다른 쿼크별이 존재하지 않을까?




근데 이론물리학은 이를 허용하지 않는다.


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중성자별과 쿼크별


물리학에서 예견하는 쿼크별은 수백조도를 웃도는 초고온이거나 우리가 상상도 할 수 없는 초고밀도상태에서 만들어질 수 있다고 하는데,


이러한 매우 극단적 환경에서 중성자별을 이루는 1개의 업 쿼크와 2개의 다운쿼크는 변형이 돼버린다고 한다.


뭘로 변형이 되냐고?  strange 쿼크라 불리우는 쿼크의 하나로 바뀌어버리는데, 그래서 쿼크별을 strange star라고도 부른다.


한국말로 번역하면 야릇한 별이라고 한다.


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이러한 가상의 쿼크별은 실존하는 천체일까? 천문학자들은 여러 후보 가운데서도 2006년에 발생한 초신성폭발의 잔해물이


쿼크별일 것이라고 추측하고 있다.


이 초신성폭발은 SN2006gy라고 불리우는데 폭발당시 에너지가 10^45 J이었다. 이게 어느정도 수치냐면


태양이 1초동안 내뿜는 태양에너지가 3*10^26이거든? 그러면 저 한 순간에 터져나온 에너지는 태양이 천억년 동안 낼 수 있는 에너지임.


아무튼 이 초신성폭발은 그때까지 알려진 그 어떠한 초신성보다도 밝은 초신성 폭발이었다.


그래서 초신성폭발 대신, 하이퍼노바 혹은 쿼크노바라고도 부른다.


이렇게 강력한 폭발을 하면 진짜 블랙홀도 남아나지 않을 정도인데 천문학자들은 이 폭발의 중심에 아마 블랙홀이 아닌 쿼크별이 있을 거라고 보고있다.


그밖에도 중성자별로 보이는 천체가 발견됐는데 이새끼가 일반적인 중성자별이 가진 밀도보다 훨씬 더 큰 값을 지니는 것이 밝혀지면서


이녀석이 어쩌면 쿼크별이 아닐까 추측하기도 한다. 하지만 여전히 우리에겐 발견된 적이 없는 가상의 천체이다.




3줄요약.

1. 백색왜성은 전자축퇴압으로 붕괴를 막는 별이다.

2. 중성자별은 중성자축퇴압으로 붕괴를 막는 별이다.

3. 중성자별과 블랙홀 사이에는 '아마' 쿼크별이 존재할 것이다.