게자리 성운의 '얼룩말 무늬' 수수께끼 풀렸다

미국 캔자스 대학교의 한 이론 천체물리학자가 약 20년 동안 풀리지 않았던 게자리 성운의 고주파 전파 펄서에서 나타나는 독특한 '얼룩말 무늬'의 기원을 밝혀냈다.

이 연구 결과는 최근 물리학 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)에 게재되었다.

 

게자리 성운의 중심에는 중성자별이 위치하고 있으며, 이 중성자별은 직경 12마일의 펄서로 형성되어 전자기 복사를 우주로 방출하고 있다.

"이 방사선은 등대 빔처럼 지구를 반복적으로 스쳐 지나가며, 별이 회전함에 따라 우리는 펄스 방출로 관측한다"고 논문의 주저자인 미하일 메드베데프(Mikhail Medvedev) 캔자스 대학교 물리천문학 교수는 말했다.

"우리가 관측하는 펄서는 게자리 성운 중심에 위치한 게자리 펄서로, 지구에서 약 6,000광년 떨어져 있다."

게자리 성운은 1054년에 나타난 초신성의 잔해이다.

"중국 기록을 포함한 역사적 기록은 하늘에 유난히 밝은 별이 나타났음을 설명한다"고 캔자스 대학교 연구원은 말했다.

그러나 다른 알려진 펄서와 달리, 게자리 펄서는 '얼룩말 무늬'를 나타낸다.

이는 전자기 스펙트럼에서 밴드 주파수에 비례하는 특이한 밴드 간격과 높은 편광 및 안정성과 같은 다른 이상한 특징을 보인다.

 

"이 펄서는 거의 모든 파장대에서 매우 밝다"고 그는 말했다.

"이것은 '얼룩말 무늬'를 생성하는 것으로 알려진 유일한 천체이며, 게자리 펄서의 단일 방출 성분에서만 나타난다.

주 펄스는 대부분의 펄서에서 일반적인 광대역 펄스이며, 다른 광대역 성분은 중성자별에서 흔하다.

그러나 고주파 간펄스는 5~30GHz의 범위로 독특하며, 마이크로파 오븐과 유사한 주파수이다."

 

이 패턴은 2007년 논문에서 발견되었지만, 캔자스 대학교 연구원은 이 패턴이 연구자들에게 '당혹스러운' 문제였다고 말했다.

"연구자들은 다양한 방출 메커니즘을 제안했지만, 관측된 패턴을 설득력 있게 설명한 것은 없었다"고 그는 말했다.

 

 

'얼룩말 무늬'의 비밀, 파동 광학으로 풀다

미국 캔자스 대학교의 미하일 메드베데프 교수는 게자리 펄서의 데이터를 이용하여 파동 광학을 활용한 새로운 방법을 개발했다.

이 방법은 펄서의 전자기 펄스에서 발견된 간섭 무늬를 분석하여 펄서 플라즈마의 밀도를 측정할 수 있다.

"스크린에 전자기파가 통과하면 파동은 직선으로 진행하지 않는다"고 메드베데프 교수는 설명했다.

"기하학적 광학에서는 장애물에 의해 생긴 그림자가 무한히 뻗어 나갈 것이다.

그림자 안에서는 빛이 없고, 밖에서는 빛을 볼 수 있다. 그러나 파동 광학은 다른 행동을 보인다.

파동은 장애물 주위를 휘어져 서로 간섭하여 보강 간섭과 상쇄 간섭으로 인해 밝고 어두운 간섭 무늬가 생긴다."

이러한 간섭 무늬 현상은 일관된 보강 간섭에 의해 발생하지만, 전파가 중성자별 주위를 전파할 때는 다른 특성을 나타낸다.

"중성자별을 차폐물로만 가졌다면 일반적인 회절 패턴은 균일하게 간격이 띄워진 간섭 무늬를 생성할 것이다"라고 캔자스 대학교 연구원은 말했다.

 

"그러나 여기서 중성자별의 자기장은 밀도 높은 플라즈마를 구성하는 하전 입자를 생성하며, 이는 별로부터의 거리에 따라 변한다. 전파가 플라즈마를 통과할 때, 희박한 영역을 통과하지만 밀도 높은 플라즈마에 의해 반사된다. 이 반사는 주파수에 따라 다르다. 낮은 주파수는 큰 반경에서 반사되어 더 큰 그림자를 만들고, 높은 주파수는 더 작은 그림자를 만들어 다른 간섭 무늬 간격을 생성한다."

 

이러한 방식으로 메드베데프 교수는 게자리 펄서의 플라즈마 물질이 중성자별의 독특한 '얼룩말 무늬'를 유발하는 전자기 펄스에 회절을 일으킨다는 것을 밝혀냈다.

"이 모델은 이러한 매개변수를 측정할 수 있는 최초의 모델이다"라고 메드베데프 교수는 말했다.

"간섭 무늬를 분석함으로써, 우리는 자기권에서 플라즈마의 밀도와 분포를 추론할 수 있다. 이는 놀라운 일이다. 왜냐하면 이러한 관측을 통해 간섭 무늬 측정을 플라즈마의 밀도 분포로 변환하여, 중성자별의 자기권의 이미지를 생성하거나 토모그래피를 수행할 수 있기 때문이다."

다음으로, 메드베데프 교수는 자신의 이론을 게자리 펄서에서 더 많은 데이터를 수집하여 검증하고, 강력하고 이상한 중력 및 편광 효과를 고려하여 미세 조정할 수 있다고 말했다.

플라즈마 물질이 펄서의 신호를 어떻게 변화시키는지에 대한 새로운 이해는 천체 물리학자들이 다른 펄서를 이해하는 방식을 바꿀 것이다.

 

"게자리 펄서는 천문학적 표준으로는 비교적 젊은 약 천년 된 고에너지 펄서이다"라고 그는 말했다.

"그러나 그것은 유일한 것이 아니다. 우리는 수백 개의 펄서를 알고 있으며, 그 중 12개 이상이 젊은 펄서이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 검증하는 데 사용된 알려진 이진 펄서도 제안된 방법으로 탐구할 수 있다. 이 연구는 특히 젊고 에너지가 높은 펄서에 대한 우리의 이해와 관측 기술을 확장할 수 있다."