PSR J1023+0038 : 독특한 양상을 보이는 펄서

PSR J1023+0038 상상화 - 짝꿍별로부터 물질을 빨아들이고 있다. Credit:ESO/M. Kornmesser

지상과 우주에 있는 무려 12개에 달하는 망원경이 협력한 관측 프로그램을 통해 특이한 행동 양상을 보이는 펄서를 연구하고 있다. 

 

펄서란 빠르게 회전하는 죽은 별을 말한다. 

 

이 펄서는 서로 다른 복사 양상을 보이는 두 개 모드를 지속적으로 왔다갔다 하고 있는데 그 이유는 아직까지 수수께끼로 남아 있다. 하지만 이번 관측을 통해 대단히 짧은 순간 일어나는 펄서의 물질 방출이 펄서의 독특한 복사 양상 변경과 관련이 있다는 것을 알아냈다.

이번 논문의 주저자인 마리아 크리스티아 바그리오(Maria Cristina Baglio)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 우리는 아주 독특한 우주의 사건을 목격하였습니다. 굉장히 빠른 속도로 회전하는 고밀도의 작은 천체가 수십초 상관에 엄청난 양의 물질을 뱉어내는 사건이 바로 그것이죠."

바그리오는 아부다비 뉴욕대학의 연구원이자 이탈리아 국립 천체물리학 연구소의 협력 연구원이다.
이번 논문은 2023년 8월 30일 아스트로노미앤아스트로피직스(Astronomy & Astrophysics)지에 개재되었다.

펄서란 극단적인 빠른 속도로 회전하는 죽은 별로서 우주공간에 강력한 전자기 복사선을 방출하는 천체이다. 

펄서가 회전하면서 뿜어내는 복사선은 마치 등대 불빛이 주위를 훑어내는 것과 유사하다.
천문학자들은 이 복사선이 지구를 지나갈 때 펄서를 포착하게 되는데  지구에서 바라봤을 때는 

마치 별이 깜빡깜빡 반복적으로 켜졌다가 꺼지는 듯한 모습으로 관측된다.   

이번 관측대상이 된 펄서의 공식등재명은 PSR J1023+0038이다. 
짧게 J1023이라고 부르는 이 특별한 유형의 펄서는 독특한 행동을 보이는 펄서이다.

이 펄서는 육분의자리 방향으로 4,500 광년 거리에 위치하며 다른 별을 매우 가깝게 붙은 채 공전하고 있다. 

지난 십 여년 동안 이 펄서는 자신의 짝꿍별로부터 활발하게 물질을 끌어왔다.
그 결과 펄서 주변에 강착원반이 쌓여있으며 원반을 구성하는 물질은 펄서를 향해 천천히 추락하고 있다.

물질 강착이 시작되고 나서 펄서에서 등대처럼 깜빡이는 빛은 사실상 없어진 상태이다.

그런데 이 펄서는 서로 다른 유형을 보이는 두 개 복사 모두 사이를 끊임없이 왔다갔다 하고 있다. 

우선 하나는 하이모드이다. 이 모드에서 펄서는 X선과 자외선, 가시광선에서 밝은 복사를 방출한다.
이와 다른 로우모드에서 고주파 복사는 희미해지고 대신 더 많은 라디오파를 방출한다. 

펄서는 각 모드에서 수십 초간 또는 수십 분간 머물 수 있다.
그러다가 모드의 변경은 순식간에 발생한다.

이러한 모드변경이 왜 발생하는지는 수수께끼로 남아 있었다.
  
스페인 우주과학연구소의 연구원이자 이번 논문의 공동저자인 프란시스코 코티 젤라티(Francesco Coti Zelati)는 
바로 이 현상을 이해하기 위해서 지상과 우주에 있는 첨단 망원경들이 대거 동원되는 유례없는 관측 프로그램이 진행되었다고 말했다. 

2021년 6월에 이틀간 진행된 관측동안 이 펄서는 총 280번 하이모드와 로우모드를 왔다갔다했다.

코티 젤라티는 이러한 모드 변경이 펄서로부터 쏟아져나오는 고에너지 입자폭풍인 펄서풍과

펄서를 향해 추락하는 물질간 상호관계의 연장선에서 발생한다고 말했다.

우선 로우모드에서는 펄서를 향해 추락하던 물질이 강착원반에서 수직으로 날카로운 제트의 형태로 분출된다. 
펄서를 향해 추락하는 물질이 펄서 가까이에 쌓이고 쌓였을 때, 펄서에서 쏟아져나오는 폭풍에 강타당하고

이로서 물질은 가열되기 시작한다. 

이렇게 물질이 가열될 때 X선과 자외선, 가시광선에 밝은 복사가 방출되는 하이모드가 되는 것이다. 

결국 가열된 물질 거품은 모두 제트가 되어 사라져 버린다. 
강착 원반에 뜨거운 물질이 줄어들면서 전체 빛은 줄어들고 다시 로우모드로 돌아가는 것이다. 

 

 

로우모드와 하이모드를 왔다갔다하는 PSR J1023+0038 시뮬레이션 Credit:ESO/M. Kornmesser

 

천문학자들은 J1023 펄서가 보여주는 독특한 행동의 비밀을 완전히 풀어내기 위해 연구를 계속하고 있다.

ESO에서는 초대형망원경(Very Large Telescope, VLT)과 신기술망원경(ESO’s New Technology Telescope, NTT), ALMA(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)가 파트너로 참여하고 있다. 

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2023년 8월 30일자