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재미있는 과학이야기 - 감마선 폭발 (Gamma Ray Bust)

천문학에서 가장 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 것 중의 하나는 감마선 폭발이라 불리는 강한 고에너지 폭발의 근원이 무엇인가라는 것이다. 

감마선 폭발은 1960년 미국방부가 핵폭발을 탐지하기 위한 목적으로 위성 탐사를 하던 중에 발견되었다. 이러한 복사의 흐름은 하늘의 모든 부분에서 오는 것으로 보인다. 평균적으로 하루에 한 번씩 폭발이 나타난다. 

1973년 이후로 이런 변화에 대한 정보는 기밀 문서에서 해제되었으며, 이론가들은 더욱 어려운 문제를 풀기 위해서 바빠졌다. 

무엇이 이런 빈번하고 강력한 폭발을 만드는가? 예루살렘 히브리 대학의 피란을 포함하여 많은 연구자들이 감마선 폭발은 중성자별 붕괴의 산물이라는 것을 진지하게 연구하여 왔다. 

피란의 모델에 의하면 두 개의 중성자별이 쌍성계로 구성되어 서로 다른 것의 주위를 돈다. 마침내 그 쌍성계는 불안정해지고 하나의 천체가 다른 하나에 충돌하여 부서진다. 

이 충돌은 입자의 형성을 급격히 일어나게 만들고, 자신을 고주파수의 감마선 형태로 유지시킨다. 다른 연구자들은 이웃의 별에서  물질이 빠른 속도로 중성자별로 빨려 들어갈 때 이런 폭발이 일어난다고 이론화하였다.  

이것은 복사의 홍수를 만들어 낸다. 천문학자들은 이러한 가설들을 알려진 중성자별들 가운데 가까운 것을 주의 깊게 관측함으로써 검증해 보기를 원하고 있다. 

곧 그들은 이 신화의 진정한 근원을 알아내었다. 지름이 대략 6마일 정도 되는 중성자별이었다. 그들은 관측된 신호를 만들어 내기 위해서는 이 천체가 1과 3분의 1초 동안 한 바퀴를 돌아야 한다고 추정하였다. 

규칙적인 신호의 빠른 생성 때문에 그들은 이것을 펄사라고 불렀다. 오늘날 '중성자별'그리고 '펄사'라는 용어는 다소간 혼동되어 사용되기도 한다. 

전형적으로 전자는 이론적인 논의에서 사용되며, 특히 물체의 구성 성분에 대한 용어이고, 후자는 물리적인 기술을 위한 용어인데, 특히 물체의 회전 성질에 관한 용어이다. 

왜 펄사는 그 토록 빠르게 회전하는가? 그 대답은 '각운동량의 보존'이라는 물리적 원리에서 찾을 수 있다. 각 운동량은 다음의 세 가지 성질에 의존하는 물체의 물리적 성질이다. 

질량과 물체의 형태가 뻗어 있는 길이, 그리고 얼마나 빠른 속도로 도는가가 그것이다. 그 각운동량은 본질적으로 일정한데, 이것은 고립된 물체에서 각운동량은 생성되거나 소멸되지 않는다는 의미이다.  

그러므로 회전하는 물체가 일정한질량을 가지고 있다고 가정하면, 그것은 밖으로 퍼져 나갈수록 느리게 회전해야 하며, 안으로 움츠러들수록 빠르게 회전해야 한다. 

이와 같은 원리는 스케이트 선수들이 자신의 팔을 몸 안쪽으로 끌어당기면 점점 더 빨리 회전하게 되는 것에서 볼 수 있다. 

각 운동량 보존 법칙을 펄사에 적용하게 되면, 우리는 왜 그것들이 그토록 빨리 도는지를 알 수 있게 된다. 펄사를 형성하는 별의 중심핵이 수축함에 따라 펄사는 전체 각운동량을 보존하기 위하여 점점 더 빨리 회전할 수 밖에 없다. 

그러므로 펄사가 그토록 빠른 속도로 돌고 있다는 것은 그것의 수축이 그만큼 심각하기 때문이다. 벨과 휴이시의 빌견 직후에 펄사가 게 성운에서 발견되었다.  

천문 학자들은 게 성운이 초신성의 잔해라고 몇 년 전부터 생각하고 있었다. 그러므로 펄사가 그곳에서 발견되었다는 것은 폭발 중에 중성자별이 형성된다는 벨과 휴이시의 이론을 확인시키는 것이었다. 

벨과 휴이시의 발견 이래로 수백 개의 펄사가 우리 은하에서 관측되었다. 그러나 여전히 많은 펄사들이 발견되지 않은 채 남아있다.  

덴마크의 아러스 대학의 타우리스같은 과학자들은 너무 어두워 보이지 않는 펄사들이 수십만 개 정도 존재한다고 이론화하기도 했다. 

타우리스는 PRS J0108-1431이라고 불리는 케터스자리의 280광년 떨어진 곳의 희미한 펄사를 직접 발견한 것을 토대로 이러한 주장을 하고 있다. 

1994년에 그는 1분에 74회전하는 이 천체를 오스트레일리아의 팍스에 있는 전파 망원경을 사용하여 발견했다. 이것은 지금까지 발견된 가장 가깝고 가장 어두운 펄사이다.