🌌 밀리초 펄서의 ‘나이 역설’을 푼 컴퓨터 시뮬레이션의 힘

 

펄서는 초신성 폭발 후 남은 초밀도 중성자별로, 지름은 약 20km에 불과하지만 태양과 비슷한 질량을 가진 천체다. 이 중 **밀리초 펄서(Millisecond Pulsar)**는 초고속으로 자전하며 초당 수백 회까지 회전한다. 그런데 일부 밀리초 펄서의 나이가 빅뱅 이후 우주의 나이(약 138억 년)를 초과하는 것으로 나타나, 천문학계에 큰 역설로 남아 있었다.

독일 막스플랑크 전파천문연구소와 본대학교 아르겔란더 천문연구소의 천체물리학자 토마스 토리스 박사(Thomas Tauris)는 첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 수수께끼를 해결했다.

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🔬 밀리초 펄서의 탄생과 스핀업 과정

밀리초 펄서는 강한 자기장을 가진 오래된 중성자별이 이중성계에서 동반성으로부터 물질을 흡수하며 질량과 각운동량을 얻어 자전 속도를 극적으로 높인 결과다. 이 과정에서 X선 밀리초 펄서 상태로 존재하다가, 동반성의 질량이 더 이상 공급되지 않으면 라디오 밀리초 펄서로 전환된다.

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🛠️ 나이 역설의 원인: 로슈-로브 탈동조(Roche-lobe decoupling) 단계

기존 모델로는 질량 전달이 끝난 후에도 펄서가 초고속 회전을 유지할 것으로 예상됐지만, 관측 결과 펄서가 예상보다 느리게 회전하거나 ‘우주보다 오래된 것처럼’ 보였다.
토리스 박사는 로슈-로브 탈동조 단계에서 펄서가 절반 이상의 회전 에너지를 잃는 과정을 정밀하게 계산했다.

• 질량 전달이 줄어들면 자기권 경계가 확장되며, 펄서가 ‘프로펠러 효과’로 물질을 방출하면서 급격한 감속이 일어난다.
• 이 현상으로 스핀 속도가 감소해, X선 펄서 시기의 스핀보다 느린 라디오 펄서가 된다.

이는 라디오 밀리초 펄서가 예상보다 나이가 많아 보이는 이유를 설명한다. 또한 이 메커니즘 덕분에 왜 초밀리초(1ms 이하) 라디오 펄서가 발견되지 않는지도 이해할 수 있다.

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🔭 관측과 모델의 일치

토리스 박사의 시뮬레이션 결과는 200여 개의 관측된 밀리초 펄서의 스핀 주기 및 동반성 백색왜성의 나이와 완벽히 일치했다. 관측상 라디오 밀리초 펄서는 X선 밀리초 펄서보다 약간 느린 스핀을 가지고 있는데, 이번 연구가 그 차이를 이론적으로 정당화했다.

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🧑‍🔬 연구의 의의와 향후 연구

“로슈-로브 탈동조 과정에서 펄서가 어떻게 평형 스핀 상태에서 이탈하는지 처음으로 보여준 결과”라고 토리스 박사는 강조했다. 이번 연구는 밀리초 펄서의 형성과 진화를 이해하는 데 있어 중요한 전환점이 될 뿐 아니라, 중성자별의 자기장과 각운동량 상호작용 연구에도 새로운 방향을 제시한다.

이 연구는 본대학교 아르겔란더 천문연구소의 항성물리학 그룹과 막스플랑크 전파천문연구소의 기초물리학 연구팀이 협력해 수행됐다. 이론 연구에 사용된 항성 진화 모델은 노르베르트 랑거 교수팀의 최첨단 코드를 기반으로 했으며, 관측 자료는 에펠스베르크 100m 전파망원경으로 수집됐다.

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📚 참고 논문
Science 저널 2025년 2월 3일자 게재
Thomas M. Tauris, “Spinning Down Millisecond Pulsars During Roche-lobe Decoupling”
관련 연구는 MNRAS 등에도 추가 게재됨.

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