일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

7 주 차 별 의 무 덤

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2. 중성자별

챤드라세카 한계를 넘는 별의 무덤은

무엇일까?

중 성 자 별 3

• ~ 6-8 M_⊙ 보다 큰 질량의 별

• 찬드라세카 한계질량보다 큰 핵을 남긴다

• 백색왜성이 남겨지지 않고 초신성폭발을 한다

• 초신성폭발

• 폭축하는 별의 핵에 있는 전자들과 양성자들은 으깨어져서 중성자가 생성

• 중성자별 ^{이 남겨진다}

• 중성자별

• 직경이 10km밖에 되지 않는다

• 지구에서 이렇게 작은 잔해를 어떻게 관측할 수 있을까?

• 중성자별은 극도로 뜨겁다할지라도 중성자별의 작은 크기는 중성자별을 너무 어둡게 만들어서 근본적으로 관측되지 못하게 한다

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• Larry Niven (1966)

• “Neutron Star”라는 책으로 최고의 공상과학 단편소설에게 수여하는 Hugo상을 수상

• 중성자별로 알려진 천체에 가까이 여행하는 이야기

• 1966년에, 이런 주제는 아주 좋은 내기 주제였던 것 같다

2 . 1 펄 서 5

• Jocelyn Bell and Tony Hewish (1967)

• 특수한 전파망원경을 제작

• 전파 섬광을 관측해서 퀘이사를 찾은 연구 수행

• Bell 의 임무

• 전파망원경으로 관측하고 자료분석

• 매일 30m길이의 관측차트를 검토

B e l l 의 자 료 분 석 6

• 하늘에서 전파 섬광이 반복되는 것을 발견

• 아주 규칙적인 펄스

• 주기: 1.337초

• LGM (Little Green Men)이라 명명

• 수 주 후에 더 빨리 맥동하는 전파원이 3개 더 발견

• 이들은 서로 다른 주기를 보임

• 펄서 ^{라 명명}

중 성 자 별 모 형 7

• 펄스주기가 빠르다

• 분명 아주 작은 천체이다

• 백색왜성이라 할지라도 4초이하로 회전한다면 파괴되어 버릴 것

• Oppenheimer:

• 중성자별이 이론적으로 가능하다고 제안

• Thomas Gold (1968):

• 펄서는 강한 자기장을 가진 자전하는 중성자별이라고 제안

• 중성자별은 좁은 빔을 지닌 빛을 생성한다

• 등대모델

등 대 모 형 8

• 중성자별의 자기극이 관측자 쪽을

향할 때마다 전파 분출원이 관측된다

게 성 운 펄 서 9

• 게성운의 중심에서 펄서가 발견

• 광학별은 같은 주기로 빛을 방출

• 주기: 0.33초

• 펄서가 자신의 회전에너지를 고에너지 입자로 방출하면서 서서히 자전이 느려진다

게 성 운 펄 서 10

• 강한 자기장을 지닌 체 매우 빠르게 자전하는 핵은 태양같은 별이 수축할 때 생겨난다

• 태양

• 크기: 1.4 x 10 ⁶ km

• 자전주기 27일 = 2.3 x 10 ⁶ s

• 중성자별:

• 크기: 14km

• 태양보다 백만배 작다

• 자전주기는 백만배 더 짧아진다 = 2.3s

• 별이 수축하면서 자기장이 압축된다

• 10억배 강해진다

2 . 2 펄 서 가 맥 동 하 는 이 유 11

• 펄서에서 나오는 전파

• 표면에서 벗겨진 전자들이 강한 자기력선을 따라서 가속하면서 방출

• 자기극과 나란하게 빔을 생성

• 펄서의 자전이 느려진다

• 젊은 펄서일수록 더 빠른 펄서이다

• 아직 자전속도가 느려질 기회가 없었다

• 펄서는 영원히 펄서상태를 유지할 수 없다

• 결국 자전이 느려져서 등대효과가 사라지게 될 것이다

2 . 3 X - 선 쌍 성 의 발 견 12

• 태양계 밖에서 오는 최초 엑스선 원

• 1962년 Aerobee 로켓 발사

• 태양에서 방출하는 엑스선원의 세기를 근거로 태양계 밖에서 오는 엑스선원을 검출하기는

어려운 것으로 여겨짐

• 원래 로켓발사 실험은 태양엑스선이 달에 반사된 엑스선을 관측하기 위해 수행 됨

로 켓 실 험 결 과 13

• 350초 동안 로켓 실험

• 전갈자리 방향에서 엑스선원 발견

• 태양보다 1억 배 밝다

• 위치 오차가 너무 크다: 5˚x 5˚

엑 스 선 원 의 광 학 적 동 정 14

• 엑스선원의 위치가 정확해지면서 엑스선원의 광학적 동정작업이 이루어 졌다

• 13등급의 어두운 파랑색 별이 심한 광도변화를 보이고 강한 방출선이 존재한다는 것이 밝혀짐

• 중성자별로의 물질모임 (accretion)이 관측된 엄청난 양의 에너지를 생성할 수 있음이 알려졌다

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• 그동안 십여개의 엑스선 망원경이 관측을 수행하였다

• 엑스선 하늘은 광학적으로 본 하늘과 아주 다르다

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• 우리은하에 수백개의 엑스선원이 발견됨

• 이들 엑스선원의 대부분은 X-선쌍성

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• 별들은 자신의 생애에서 후기 단계에 큰 팽창을 겪는다

• 별들이 홑별이 아닐 때 어떤 일이 일어날까?

포 텐 셜 우 물 ( Po t e n t i a l w e l l s ) 18

• 물질들은 한 쌍의 별들 중력에

어떻게 반응하는지 고려해볼 필요가 있다

• 이것을 가시화하는 가장 좋은 방법은 포텐셜 우물을 고려해 보는 것이다

• 질량을 지닌 물체 근처에서 중력이 어떻게 행동하는지를 보여준다

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• 물체 하나 주위에 생기는 중력 포텐셜에너지 분포

• 물체 근처에 입자하나를 놓으면 인력이 작용

• 마치 구슬이 경사를 따라 중심쪽으로 굴러가듯

중 력 포 텐 셜 에 너 지 그 래 프

• 쌍성의 경우

• 각 별은 자신의 중력장을 보여주는 우물이 있다

• 2개의 포텐셜에너지 그래프가 어느 한점에서 만난다

• 두 별의 질량이 같은 경우

• 교점은 중심에 놓인다

• 두별의 질량이 다를 경우

• 질량이 큰 별쪽으로 교점이 이동한다

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• 물질모임이 일어나는 물질에서 엑스선이 방출되려면 물질이 한쪽 우물에서 다른 쪽으로 움직여야 한다. 어떻게?

• 두가지 경우

• 우물을 더 가까이 모아지도록 한다: 이렇게 되기는 힘들다

• 우물 안쪽에 있는 물질을 위쪽으로 움직이게 한다

중 력 포 텐 셜 에 너 지 그 래 프

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• 별의 진화가 진행되면서 일어나는 현상이다

• 같은 양의 질량물질이 갑자기 밀도가 더 낮아지면서 중심에서 멀리 팽창한다

• 홑별인경우, 이런 상황이 물질의 마지막 상황이지만 쌍성계에서는 이런 팽창이 약간의 물질을 밀어, 가장자리를 넘어 이웃우물로 넘아가게 한다

• 물질은 이웃별로 흘러간다

• 이웃별이 밀집성인 경우 X-선이 방출된다

중 력 포 텐 셜 우 물 에 서 의 물 질 이 동

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• 물질은 각운동량때문에 실제 직선으로 떨어지지 않는다

• 별 주변을 돌면서 별쪽으로 떨어진다

물 질 이 동

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• 마찰을 통해 각운동량은 바깥으로 전달된다

• 물질은 안쪽으로 전달된다

• 중성자별쪽으로

끌려들어가게 된다

• 원반은 모임원반

(accretion disk) ^으로

퍼져나간다

모 임 원 반

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• 동반별이 질량이 큰 별

• O형 별 또는 B형별)

• 큰 타원궤도

• 긴 궤도주기 : 수개월과 수년

• 동반별이 질량이 작은 별

• M형 별 또는 K형 별

• 원형궤도

• 아주 짧은 궤도주기: 수일 또는 수시간

• 가장 짧은 궤도주기는 11분

• 거의 모든 X-선쌍성들은 이 두가지 부류에 속한다

• 근본적으로 중간 부류는 존재하지 않는다

X - 성 쌍 성

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• 왜 X-선쌍성이 두가지 부류로 나누어질까?

• 중성자별로 삶을 마무리하기 위해 별은 적어도 태양질량의 6배로 시작해야 한다는 사실에 달려있다

• 이 두가지 부류의 엑스선 쌍성이 어떻게 생성되어지는지 살펴보자

X - 성 쌍 성 의 두 가 지 부 류

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• 질량이 큰 별과 중성자별로 구성된 쌍성이 형성되는 것은 어렵지 않다

X - 성 쌍 성 형 성 과 정 1

질량이 큰 별 2개로 구성된 쌍성으로 시작한다

그리고 그 중 한 별이 초신성 폭발을 한다

. . . 다른 별이 중성자별과 쌍을 이루는 쌍성이 된다

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• 질량이 작은 별과 중성자별로 구성된 쌍성이 형성되는 것은 훨씬 더 어렵다

X - 성 쌍 성 형 성 과 정 2

질량이 큰 별과 질량이 작은 별로 구성된 쌍성으로 시작한다

어떻게 거성이 궤도안쪽으로 들어왔을까?

쌍성은 깨져서 중력적으로 묶여지지 않게 된다 초신성이 폭발하고 난 후에는,

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• 적색거성은 현재의 궤도안쪽에 놓여있지 않았었다

• 궤도는 두 별들이 주계열이었을때부터 극적으로 수축되었다

• Common envelope evolution주기가 존재했었다

• 작은 질량의 별은 실제 거성 envelope안에 놓여 있었다

• 초신성은 비대칭으로 폭발했었던 것 같다

• 한쪽 방향으로 “kick”이 일어났다

• 이 kick이 정확하게 방향이 잘 맞으면 궤도는 속박된채 유지할 수 있다

• 전체 쌍성은 같은 속도를 지니게 된다

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• 쌍성계 내에서 펄서를 발견

• Joe Taylor & Russel Hulse (1974)

• 1초에 17번 맥동

• 궤도주기는 7.75hours

• 두별 모두 중성자별

• 그 중 한 개 중성자별이 펄서 이다

밀 리 세 컨 드 펄 서 : X - 선 쌍 성 과 의 관 련 성

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• 아주 빠른 펄서

• 1982년에 발견

• 1초에 640번 자전

• 많은 밀리세컨드 펄서 발견

• 80%가 쌍성계에 속해있다

• 보통 펄서는 <1%가 쌍성계

• 밀레세컨드 펄서는 나이가 많다

• 다른 빠른 펄서들은 젊다 (게성운 펼서)

밀 리 세 컨 드 펄 서

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• 밀리세컨드 펄서는 재활용된 펄서이다

밀 리 세 컨 드 펄 서 형 성 과 정

쌍성계에서 시작한다

한 별이 초신성 폭발을 한다, 그리고 다른 한 별이 진화를 해서 중성자별을 남긴다

물질모임이 끝나면 아주 빠른 펄서가 탄생하는데, 동반별은 중성자별이나 백색왜성이 된다

두번째 별이 물질을 중성자별에 흐르게 한다. 중성자별은 물질을 모으고 각운동량을 모으면서 중성자별의 자전이 빨라진다: X-선 쌍성

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• 왜 몇몇 밀리세컨드 펄서는 홑별일까?

• Missing link: “Black Widow”

• 동반별을 증발시키고 있는 것 같다

밀 리 세 컨 드 펄 서

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• Single 밀리세컨드 펄서의 전체 진화과정

S i n g l e 밀 리 세 컨 드 펄 서 진 화

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• 2004년 최초로 발견

• 쌍성 구성원 모두 중성자별

최 초 의 쌍 성 펄 서 ( d o u b l e p u l s a r )

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• 쌍성의 구성

• 23ms의 자전주기를 지닌

펄서하나가 2.8s의 자전주기를 지닌 펄서를 돌고 있다

• 궤도주기는 2.4hour

• 태양직경 정도 크기

• 평균궤도속도는 빛의 속도의 0.1%

• 궤도는 거의 정확하게 edge-on

• 두개 펄서가 실제 각 궤도에서 식을 일으킨다

최 초 의 쌍 성 펄 서 ( d o u b l e p u l s a r )

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• 밀리세컨드 펄서는 초기에는 더 질량이 큰 별이었던 것 같다

• 펄서가 두번째 초신성에서 더 천천히 생성될 수록, 다른 펄서보다 훨씬 더 젊다

• 그런 쌍성을 관측할 기회는 막연한 일이다

• 두개 펄서 모두 우리쪽을 바라보아야 하고 또 젊은 펄서가 아직 살아있어야 하기

때문이다

최 초 의 쌍 성 펄 서 ( d o u b l e p u l s a r )

중 성 자 별 37

https://www.youtube.com/watch?v=ClUtvlZquLI&t=177s