백색 왜성의 비밀: 온도와 크기의 미묘한 관계

2만 6천 개 이상의 백색 왜성을 연구한 결과, 오랫동안 예측되었지만 포착하기 어려웠던 현상이 확인되었습니다. 같은 질량을 가진 백색 왜성이라도 더 뜨거운 별이 차가운 별보다 약간 더 부풀어 있다는 사실입니다. 이 발견은 과학자들이 이러한 초고밀도 별을 이용해 극심한 중력의 영향을 연구하고 미지의 암흑 물질 입자를 찾는 데 한 걸음 더 다가가게 해 줍니다. 존스 홉킨스 대학교가 주도한 이 연구의 자세한 내용은 천체물리학 저널에 실렸습니다.

 

 

새로운 물리학 탐구를 위한 발판

연구를 이끈 존스 홉킨스 대학교의 천체 물리학자 니콜 크럼플러는 백색 왜성이 일반적인 물리학 이론을 시험하고 새로운 근본 물리학을 가리키는 특이한 현상을 발견하는 데 가장 적합한 별 중 하나라고 설명합니다. 암흑 물질, 양자 중력 등 미지의 현상을 탐구하려면 먼저 정상적인 물리학을 이해해야 하며, 그렇지 않으면 새로운 현상으로 보이는 것이 이미 알고 있는 효과의 새로운 발현일 수 있다고 강조합니다.

 

백색 왜성의 특징과 중력 적색편이

백색 왜성은 태양과 같은 별이 핵연료인 수소를 모두 소진한 후 남은 핵입니다. 이처럼 벗겨진 별은 매우 밀도가 높아서 티스푼 하나의 물질이 1톤이 넘는 무게를 가질 정도로 일반적인 물질보다 훨씬 무겁습니다. 이렇게 빽빽하게 압축된 질량으로 인해 중력은 지구의 수백 배나 더 강합니다. 이번 연구는 이러한 극단적인 조건이 백색 왜성이 방출하는 빛의 파장에 미치는 영향에 대한 측정에 의존했습니다. 매우 무거운 천체에서 멀어지는 빛은 중력을 벗어나는 과정에서 에너지를 잃어 점차 붉게 변합니다. 이러한 ‘적색편이’ 효과는 망원경으로 측정할 수 있는 방식으로 빛의 파장을 늘립니다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 것처럼 극심한 중력에 의해 발생하는 시공간의 휘어짐으로 인해 발생합니다. 이번 연구는 백색 왜성의 온도와 크기 사이의 미묘한 관계를 밝혀냄으로써, 이러한 별들을 이용한 심도있는 연구의 가능성을 더욱 확장했습니다.

 

 

백색 왜성 연구의 심화: 온도와 크기, 그리고 암흑 물질의 단서

연구팀은 지구에 대한 백색 왜성의 상대적인 운동 측정을 평균내고 중력과 크기에 따라 그룹으로 분류함으로써 중력 적색편이를 분리해냈습니다. 이를 통해 고온이 백색 왜성의 기체 외층 부피에 미치는 영향을 측정했습니다. 이 연구는 존스 홉킨스 연구팀의 지속적인 노력의 일환입니다. 2020년, 이들은 3,000개의 백색 왜성을 조사하여 별들이 질량이 증가함에 따라 수축한다는 사실을 확인했습니다. 이는 ‘전자 축퇴 압력’이라는 양자 역학적 과정 때문인데, 이 과정은 태양과 다른 유형의 별들을 지탱하는 핵융합 없이도 수십억 년 동안 고밀도 핵을 안정적으로 유지합니다. 크럼플러는 이전까지는 고온이 질량-크기 관계에 미치는 더 미묘하지만 중요한 영향을 확실하게 확인하기에 충분한 데이터가 없었다고 말합니다.

 

 

관측 데이터의 통합과 새로운 발견

이번 연구는 칠레와 뉴멕시코의 망원경을 사용하는 슬론 디지털 스카이 서베이와 유럽 우주국의 가이아 미션의 관측 데이터를 결합했습니다. 두 프로젝트 모두 수백만 개의 별, 은하 및 기타 천체들을 지속적으로 매핑하고 추적하고 있습니다. 연구를 지휘한 존스 홉킨스 대학교의 천체 물리학 교수 나디아 자캄스카는 다음 과제는 질량이 다른 백색 왜성 핵의 화학적 구성의 극히 미묘한 차이를 감지하는 것이라고 언급했습니다. 중성자별이나 블랙홀이 아닌 백색 왜성을 형성하기 위해 별이 가질 수 있는 최대 질량을 완전히 이해하지 못하고 있으며, 이러한 고정밀 측정을 통해 거대한 별의 진화에서 잘 이해되지 않는 이러한 과정 및 기타 과정에 대한 이론을 테스트하고 개선할 수 있다고 덧붙였습니다.

 

암흑 물질 탐색의 가능성

크럼플러는 이러한 관측이 액시온이나 기타 가설적인 입자와 같은 암흑 물질의 징후를 포착하려는 시도에도 도움이 될 수 있다고 말합니다. 연구팀은 백색 왜성 구조에 대한 더 자세한 그림을 제공함으로써 이 데이터를 사용하여 우리 은하의 간섭 패턴을 초래하는 특정 암흑 물질 모델의 신호를 밝혀낼 수 있습니다. 두 개의 백색 왜성이 동일한 암흑 물질 간섭 영역 내에 있다면 암흑 물질은 이러한 별들의 구조를 같은 방식으로 변화시킬 것이라고 크럼플러는 설명합니다. 즉, 백색 왜성의 온도와 크기의 관계를 정확히 파악하는 것은 암흑 물질의 존재를 간접적으로 증명할 수 있는 중요한 단서가 될 수 있음을 시사합니다.

 

 

암흑 물질의 정체: 여전히 풀리지 않는 숙제

암흑 물질은 중력을 가지고 있지만 망원경으로 관측할 수 있는 빛이나 에너지를 방출하지 않습니다. 과학자들은 태양이 지구의 궤도에 영향을 미치는 방식과 유사하게 암흑 물질의 중력이 별, 은하 및 기타 천체에 영향을 미치기 때문에 암흑 물질이 우주 대부분의 물질을 구성한다는 것을 알고 있습니다. 크럼플러는 암흑 물질이 무엇인지 알아내려고 많은 노력을 기울였지만 아직까지 뚜렷한 성과를 거두지 못했다고 언급합니다. 암흑 물질이 무엇이 아닌지는 많이 알고 있고, 무엇을 할 수 있고 무엇을 할 수 없는지에 대한 제약 조건은 있지만 여전히 무엇인지는 모른다고 덧붙입니다. 그렇기 때문에 백색 왜성과 같은 비교적 단순한 천체를 이해하는 것이 매우 중요하며, 이는 암흑 물질이 무엇일 수 있는지 발견할 희망을 주기 때문입니다.