질량이 태양의 20 배에 달하는 별이 죽으면, 그것은 밀도가 불가사의한 중성자별이 되어, 크기는 한 도시와 맞먹는다. (알버트 아인슈타인, 질량명언) 미국 항공우주국 대학 천체물리학자 Zaven Arzoumanian 의 말에 따르면 중성자성은 "대부분의 사람들이 들어 본 적이 없는 가장 이상한 물체" 라고 한다. 탁구 크기의 중성자성 물질은 무게가 6543.8+000 억 톤을 넘는다.
천문학자들은 중성자성의 양성자와 전자가 중력의 압력으로 중성자로 융합되어 이름을 따서 붙여졌다고 생각한다. 그러나 이것은 최종 결론이 아니다. 천문학자들은 중성자를 가까이서 관찰한 적이 없으며, 지상 실험실도 그 밀도에 가까운 물질을 생산할 수 없다. 따라서 중성자 별의 내부 구조는 여전히 우주의 주요 수수께끼 중 하나이다.
중성자성은 알려진 중력이 가장 강한 물질을 함유하고 있다. 약간의 질량을 더하면 블랙홀이 되어 본질적으로 물질이 아니라 극도로 구부러진 시공간이 된다. "이 임계 상태는 어떻게 생겼습니까? 클릭합니다 아조 마그나인은 "이것이 바로 우리가 탐구하고 있는 것이다." 라고 말했다. 이 질문에 답하기 위해 연구원들은 서로 경쟁하는 몇 가지 이론을 제시했다.
중성자 별을 잘라서 안에 무엇이 있는지 볼 수 없기 때문에, 이 이론들 중 어느 것이 옳은지 쉽게 판단할 수 있는 방법은 없다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 약간의 진전을 이루었다. 중대한 돌파구는 2065438+2007 년 8 월에 발생했고, 연구원들은 지상 실험을 통해 두 중성자성의 정면 충돌로 인한 중력파를 탐지했다. 중력파는 질량 물체의 가속으로 인한 시공간 변동이다. 이번에 탐지된 중력파는 충돌중성자 별 두 개의 질량과 크기 등 중요한 정보를 가지고 있다. 이 정보를 이용하여 과학자들은 중성자의 성질과 내부 구성을 더욱 확정할 수 있다.
2065438+2007 년 6 월 국제우주정거장에서 운행을 시작한 중성자별 내부 성분탐지기 (NICER) 도 과학자들이 단서를 수집하는 것을 돕고 있다. NICER 는 펄서, 즉 강한 자기장과 빠른 회전을 가진 중성자 별을 감시한다. 펄서에서 나오는 광선은 끊임없이 성간 공간을 쓸고 지나갈 것이다. 지구가 빔이 쓸어가는 지역에 있을 때, 우리는 펄서가 놀라운 주파수로 "반짝임" 하는 것을 볼 수 있다. 가장 빠른 시간에 1 초가 700 회 이상 깜박일 수 있다. 이러한 실험을 통해 과학자들은 중성자성 내부의 상황을 발견할 가능성이 있다. 만약 이 목표가 실현된다면, 우리는 이런 이상한 천체를 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 극단적인 조건에서의 물질과 중력도 더 잘 이해할 수 있다.
별들이 핵심 연료를 다 소모하고 에너지 생성을 멈추면 초신성 폭발이 발생할 수 있다. 중성자 별은 이번 재앙적인 폭발로 형성된 것이다. 갑자기 상대의 중력이 없어지면 피스톤처럼 별을 망치거나, 아웃소싱층을 날려버리고, 핵심을 깨뜨립니다. 이 단계의 별의 핵심은 주로 철로 이루어져 있다. 강력한 중력은 원자를 으스러뜨리고, 전자를 원자핵에 압착시키고, 양성자와 융합하여 중성자를 만들 수 있다. 세인트루이스 워싱턴 대학교의 물리학자인 마크 알포드는 "모든 방향에서 오는 압력이 철을 6 억 5438 억 배 이상 압축했다" 고 말했다. 지름이 10 분의 1 나노미터인 원자는 지름이 몇 밀리미터인 중성자로 변했다. "지구를 한 블록으로 압축하는 것과 같다. 별이 붕괴를 멈 추면 내부 중성자의 수는 양성자의 약 20 배입니다.
물리학자들은 중성자의 질량이 태양의 약 1~2.5 배에 달한다고 생각하는데, 적어도 3 층은 있을 수 있다. 최외층은 수소와 헬륨으로 구성된 기체' 대기' 로 두께가 몇 센티미터에서 몇 미터까지 된다. 이 대기층은 외부' 껍질' 위에 떠 있고 두께는 약 1 km 으로 원자핵으로 이루어져 있다. 이 층에서 원자핵은 격자 구조로 배열되어 있으며 전자와 중성자가 그 안에 채워져 있다. 가장 안쪽 3 층은 중성자의 질량의 대부분을 포함하고 있으며, 그 구체적인 성분은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 이곳의 원자핵은 한데 모여 공간이 거의 없어 핵물리학이 허용하는 최고 밀도에 도달했다. 중성자 별의 핵심에 가까울수록 각 핵의 중성자가 많아진다. 어딘가에서 원자핵은 더 많은 중성자를 수용할 수 없을 것이고, 그러면 중성자가 넘칠 것이다. 이때 원자핵은 없고, 원자핵 (즉 양성자와 중성자) 만 있다. 결국 중성자 별의 가장 깊은 곳에서도 이 입자들이 분해될 수 있다.
"우리는 이 물질에 대한 비정상적인 고압과 고밀도의 인식이 아직 가설 단계에 있다." 알포드는 "중성자가 실제로 으스러지고 서로 겹쳐질 수 있다고 생각하기 때문에 중성자 유체로 볼 수 없고 쿼크 유체라고 부를 수 있다" 고 말했다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 중성명언). " 이런 유체의 정확한 형태는 여전히 미해결 문제이다. 하나는 쿼크가 점성이 없는' 초유체' 를 형성한 것일 수 있으며, 이론적으로 일단 움직이면 결코 멈추지 않을 것이다. 중성자성 내부에는 이런 기이한 물질 상태가 존재할 수 있다. 쿼크 사이의 연관은 충분히 접근할 수 있는 상황에서 속박의' 쿠퍼 쌍' 을 형성할 수 있기 때문이다.
쿼크 자체는 페미자입니다. 스핀 양자 수는 반정수입니다. 두 쿼크가 짝을 이룰 때, 그것들은 하나의 전체로 보손 (bose) 으로 표현된다. 그들의 스핀은 정수이다. 이 변화는 입자가 새로운 법칙을 따를 것임을 의미합니다. 페르미자는 파울리 비호환성 원리에 복종한다. 즉, 두 개의 같은 페르미온이 같은 상태를 차지할 수는 없지만, 보손은 그렇게 제한적이지 않다. 붐비는 중성자 별에서 페르미온으로서 쿼크는 다른 쿼크보다 더 높은 에너지 수준을 차지하기 위해 점점 더 높은 에너지를 가져야 한다. 하지만 보손이 되면 가장 낮은 에너지 상태에 머무를 수 있다. 쿼크 쌍이 이런 상태에 있을 때 초유동체가 형성된다.
밀도가 가장 높은 코어 영역 밖에서는 중성자가 그대로 유지되며 짝을 지어 초유동체를 형성할 수 있습니다. 사실 과학자들은 중성자의 껍데기에 초유체가 존재한다고 확신하는데, 증거는 펄서의' 주기적인 점프' 즉 중성자의 자전이 일정 기간 동안 갑자기 빨라진다는 것이다. 중성자의 자전은 자연히 느려지지만 마찰이 없는 초유체 흐름은 느려지지 않는다. 회전 속도 차이가 너무 커지면 하이퍼유체가 각운동량을 셸로 전달합니다. 이것은 지진과 같다. "뉴욕 주립대 석계분교의 천문학자 제임스 라티머가 말했다. "중성자가 딸꾹질을 하다가 갑자기 에너지를 방출하고 자전 빈도가 짧은 시간 늘었다가 회복한다."
20 1 1 년, 라티머와 그의 동료들은 중성자의 핵심에서 초유체의 증거를 발견했다고 주장했지만, 그는 여전히 논란이 있다는 것을 인정했다. 멕시코 국립자치대학의 대니 페치가 이끄는 라티머 팀은 카시오페이아 A 의 엑스레이 관측 데이터를 연구했다. 그들은 성운 중심의 펄서 냉각 속도가 전통적인 이론보다 빠르다는 것을 발견했다. 한 가지 설명은 중성자성의 일부 중성자가 초유체로 짝을 이루고 있는데, 그 중 하위 쌍이 분산되고 재구성될 때 중성미자를 방출하여 중성자성이 에너지를 잃고 냉각하게 한다는 것이다.
초유체는 중성자의 신비한 대문 뒤에 숨어 있는 가능성일 뿐이다. 중성자 별은 희귀 한 "이상한 쿼크" 의 집 일 수도 있습니다. 쿼크에는 6 가지 유형이 있습니다. 더 정확하게 말하면, 6 가지 맛, 즉 위, 아래, 아래, 홀수, 상단, 바닥이 있습니다. 가장 가벼운 원자는 상단과 하단밖에 없다. 나머지 맛은 너무 불안정해서 대형 강자 충돌기와 같은 입자 가속기의 고에너지 입자 충돌 실험에서만 잠깐 나타난다.
그러나 밀도가 매우 높은 중성자성에서는 중성자의 일부 상쿼크와 하쿼크가 이상한 쿼크 (나머지 희귀한 맛-매력, 상단 쿼크, 하단 쿼크가 너무 무거워 여기서도 형성될 수 없음) 로 변할 수 있다. 기이한 쿼크가 나타나 다른 쿼크와 묶이면 중성자의' 변종' 인 초자가 형성된다. 이 쿼크들은 다른 입자를 전혀 형성하지 않고' 쿼크탕' 을 자유롭게 돌아다닐 수도 있다.
물질의 가능한 각 상태는 중성자의 크기에 큰 영향을 미친다. Azur Magnain 의 말에 따르면 중성자는 "구슬처럼 단단한 고체 코어를 형성한다" 고 한다. 고체 코어는 외층을 지탱하여 중성자를 크게 만들 것이다. 반면에, 이 중성자를 쿼크 글루온 수프의 냄비로 분해하면' 부드럽고 덩어리 같은' 코어가 형성되고 중성자의 반경도 작아진다. 더 나은 실험의 목적은 어느 해석이 정확한지 확인하는 것이다. 이 프로젝트는 과학사무를 담당하는 수석 연구원 중 한 명인 Azu Magnain 이 말했다. "NICER 의 핵심 목표 중 하나는 중성자성의 질량과 반경을 측정하여 조밀한 물질에 대한 이론을 선택하거나 배제하는 데 도움을 주는 것이다."
더 좋은 것은 국제 우주 정거장 밖에 설치된 세탁기 크기의 상자입니다. 그것은 하늘에서 수십 개의 펄서를 지속적으로 감시하고 그들이 방출하는 X-레이 광자를 탐지한다. NICER 는 광자의 에너지와 도착 시간, 중성자 별의 중력장 아래 빛이 휘어지는 정도를 감지할 수 있어 과학자들이 펄서의 질량과 반경을 계산하고 비교하는 데 도움을 줍니다.
중성자 별의 반경을 측정하면 중성자 별 내부의 물질 상태에 대한 후보 이론을 효과적으로 단순화할 수 있다. 과학자들은 중성자 별의 중성자의 절반이 기이한 쿼크를 함유한 초자로 변할 것이라고 생각했었다. 이론적 계산에 따르면 이 초자가 풍부한 중성자별은 태양 질량의 1.5 배를 넘을 수 없다. 그러나 20 10 년 동안 미국 국립전파천문대 폴 드모레트가 이끄는 천문학자들은 중성자의 질량이 태양의 1.97 배라고 측정했다. 이 발견은 중성자 별 내부에 관한 많은 이론을 배제했다. 현재 물리학자들은 중성자의 초자 함량이 10% 를 초과하지 않을 것으로 추정하고 있다.
단일 중성자 별을 연구하면 우리는 많은 것을 얻을 수 있지만, 두 중성자 별의 충돌을 연구하는 것이 더 가치가 있다. 여러 해 동안 천문학자들은 망원경을 통해 감마선 폭발이라고 불리는 강렬한 섬광 현상을 관찰했는데, 그들은 줄곧 이 사건이 두 중성자의 충돌에서 비롯된 것이라고 의심해 왔다. 2065438+2007 년 8 월에 탐지된 중력파를 통해 천문학자들은 마침내 중성자성 합병의 첫 번째 사례를 보았다. 20 17, 17, 유럽의 두 실험팀인 리고와 처녀자리는 동시에 두 중성자가 서로 전진하여 하나의 중성자나 블랙홀로 합쳐질 때 발생하는 중력 파동을 탐지했다.
과학자들이 중력파를 탐지한 것은 이번이 처음은 아니지만, 이전의 중력파는 모두 두 블랙홀의 충돌에서 나온 것이다. 뿐만 아니라 이번 과학자들은 중력파를 탐지하는 동시에 망원경으로 하늘의 같은 위치에서 온 전자파를 관측했다. 전자파와 중력파의 결합은 충돌 위치와 과정에 대한 많은 정보를 제공하며 중성자 별 물리학 연구에 큰 도움이 된다. 천체물리학자들은 중력파를 추적하여 지구10 억 3 천만 광년 떨어진 중성자별 한 쌍을 발견했다. 중력파의 세부 사항, 즉 주파수, 강도, 패턴이 시간에 따라 변하면서 연구원들은 두 별이 충돌하기 전의 질량이 태양의 약 1.4 배, 반경은11~/Kloc-이라고 추정했다.
이 정보는 과학자들이 중성자의 성질을 묘사하는 중요한 방정식, 즉 물태 방정식을 구축하는 데 도움이 될 수 있다. 이 방정식은 서로 다른 압력과 온도에서의 물질 밀도를 묘사하며 우주의 모든 중성자 별에 적용되어야 한다. 중성자성의 다른 내부 상태에 대해 이론가들은 몇 가지 가능한 상태 방정식을 제시했는데, 새로운 관측은 그 중 일부를 배제할 수 있다. 예를 들어, 이번 관측에서 중성자의 반경이 비교적 작다는 것을 알게 된 것은 상당히 놀라운 일이다. 만약 우리가 같은 상태 방정식 (예: 1.97 배 태양 질량) 으로 이 치밀한 중성자성과 알려진 질량 중성자성을 설명하려고 한다면, 일부 이론은 곤경에 처할 것이다.
중력파 탐지기의 감도를 높일 수 있다면, 우리는 큰 보답을 받을 것이다. 예를 들어 중성자 별 상태를 테스트하는 한 가지 방법은 내부 회전 유체에서 나오는 중력파를 찾는 것입니다. 유체의 점도가 매우 낮거나 0 인 경우 (초유체처럼) R 모드라는 특수한 방식으로 흐르고 중력파를 방출합니다. "이 중력파는 합병에서 나오는 중력파보다 훨씬 약하다." 알포드는 "물질이 찢어지는 것이 아니라 조용히 흔들리고 있다" 고 말했다. " 알포드와 그의 협력자들은 현재 운영되고 있는 선진 리고 탐사선이 이런 중력파를 볼 수 없다는 것을 확인했지만, 앞으로 업그레이드된 리고와 유럽에서 고려하고 있는 기초인 아인슈타인 망원경과 같은 일부 계획된 천문대를 볼 수 있을 것으로 보인다. (윌리엄 셰익스피어, 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 과학명언)
중성자의 수수께끼를 풀면 이해할 수 없는 극단적인 상황에서 물질을 이해하는 데 도움이 된다. 이 물질은 우리 세계를 구성하는 원자와는 매우 다르며, 우리의 인지경계를 넓힐 수 있다. 유체와 같은 쿼크 물질, 초류 중성자, 특이한 초자별과 같은 기이한 생각을 현실로 바꿀 수 있습니다. 또한 중성자성의 의미를 이해하는 것이 더 중요하다. 물리학자의 더 깊은 목표는 이 치밀한 별을 이용해 원자핵 내부의 상호 작용의 법칙, 물리학에서 가장 큰 풀리지 않은 수수께끼, 중력의 본질과 같은 더 중요한 미지의 문제를 해결하는 것이다. 중성자성은 핵력을 연구하는 한 가지 방법일 뿐, 전 세계의 입자 가속기도 이런 연구를 하고 있어 현미경처럼 원자핵을 정탐할 수 있다.
대부분의 핵물리학 문제가 해결되면 과학자들은 주의력을 중력으로 돌릴 수 있다. 중성자성은 중력물리학과 핵물리학을 결합했다. "라고 MIT 의 Or Hen 이 말했다. "이제 우리는 중성자 별을 실험실로 사용하여 핵 물리학을 연구합니다. 우리는 지구의 원자핵을 이용할 수 있기 때문에 결국 핵물리학 문제를 매우 철저히 연구할 수 있기를 바란다. 그런 다음 중성자 별을 사용하여 중력을 연구 할 수 있습니다. 이것은 또한 가장 어려운 물리적 문제 중 하나입니다. " 우리의 현재 중력 이론은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 양자역학과 호환되기 어렵다. 이 두 이론은 결국 한 가지 양보를 하게 될 것이고, 물리학자들은 어느 이론인지 모른다. 우리는 알게 될 것이다. "라고 항언했다. "이 전망은 흥미 롭습니다. 클릭합니다