지식보관소_ 이론상의 물체로 존재하는 Strange Star의 정체

 

 

기본 쿼크에 더 강한 에너지가 주어지게 되면

그보다 질량이 무거운 쿼크인

참 쿼크나 스트레인지 쿼크로 충분히 변할 수 있게 되는 것이죠.

 

만약 그 에너지로

참 쿼크보다 무거운 쿼크들이 생겨난다면

그 엄청난 질량으로 결국 블랙홀로 수축하게 될 겁니다.

 

그런데 6개의 쿼크들 중에

세 번째로 가벼운 스트레인지 쿼크의 경우

블랙홀로 수축하지 않고 남을 수가 있게 됩니다.

 

 

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여러분은 밤하늘에 존재하는 별에 대해 얼마나 알고 계신가요?

우리가 일반적으로 아는 것은

별이라고 하는 것은

스스로 빛을 내는 천체로

태양과 같이 핵융합을 하는 물체입니다.

따라서 태양계에서는 태양만이 유일한 별이죠.

 

그럼 밤하늘에서 가장 밝은 별은 무엇일까요?

 

태양계에서 가장 가까운 별은

프록시마 센타우리지만 우리 눈에 보이지는 않습니다.

 

프록시마 센타우리가 포함된 삼중성계인

센타우루스자리, 알파별, 알파 센타우리는

가장 가까운 항성계지만

밤하늘에서는 네 번째로 밝은 별에 속합니다.

 

밤하늘에서 가장 밝은 별은

태양으로부터 8.7광년 거리에 떨어진 시리우스입니다.

사실 이 시리우스라는 별은 좀 특별한 별인데

그 이유는 밤하늘에서 가장 밝은 별이라서가 아니라

밤하늘에서 가장 특별한 별을 처음 발견하게 해주었기 때문입니다.

 

1844년 독일의 천문학자 프리드리히 베셀은

시리우스의 고유 운동이 변화하는 것을 발견하면서

이 별의 주변을 돌고 있는 동반성이 있다는 것을 발견합니다.

 

그 이후에 망원경의 발달로

시리우스 주변을 돌고 있는 시리우스b가 발견이 되었는데

이 시리우스b의 발견은

사실 굉장히 운이 좋아서 발견이 된 것입니다.

 

시리우스b의 질량은

태양과 비슷했음에도 불구하고

밝기는 태양보다 훨씬 더 희미해서

거의 빛을 내지 않는 천체였습니다.

 

천문학자들은 이 천체가

태양과 같은 항성이

핵융합을 할 수 있는 모든 연료를 소진하면 만들어지는 천체

즉 백색외성이라는 것을 알아냈죠.

 

이렇게 별이 수명을 다해서

자신이 가지고 있는 연료를 모두 다 사용하고 나면

일종의 죽은 별이 되는데요.

 

태양 질량의 0.4배~ 8배에 해당하는 모든 별들은

핵융합을 위한 연료를 모두 다 사용하고 나면

백색외성이 되게 됩니다.

 

태양뿐만이 아니라

태양보다 질량이 훨씬 더 큰 시리우스도

이 범위 안에 들어있기 때문에

나중에는 결국에 백색외성이 될 운명이죠.

 

그런데 만약 태양보다 질량이 8배가 더 큰 별이

수명을 다하게 된다면 어떻게 될까요?

 

우주에 존재하는 모든 물질은 원자로 되어 있습니다.

그리고 이 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고

수소원자라고 한다면

플러스 전하량을 지닌 양성자와

마이너스 전하량을 지닌 전자로 구성되어 있습니다.

 

만약 여기서 전자가 양성자와 합쳐진다면

전하량은 제로가 될 것이고, 양성자와 전자는 중성자로 합쳐지겠지만

그런 일은 우리 주변에서 일어나지 않습니다.

 

양성자와 전자가 합쳐지기가 힘든 이유는

파올리의 베타원리에 의한

둘 간의 척력 때문이죠.

 

마치 우리 주변으로 여자가 다가오기 힘든 척력이 작용해서

우리가 여친이 생기지 않는 것처럼

양성자와 전자 간에 서로 밀어내는 힘이 존재한다는 것인데

만약에 어떠한 강력한 힘이

원자핵과 전자를 밀어내는

이런 척력인 쿨룽의 힘을 이겨내고

이 둘을 결국 붙여버리게 된다면 어떻게 될까요?

 

만약 태양보다 8배 이상 질량이 큰 별이

수명을 다할 때가 되면

중심의 핵에서 받는 압력은

우리의 상상을 훨씬 더 초월하게 됩니다.

 

애초에 지구 중심핵의 압력도 어마무시한데

지구보다 부피가 100만 배 큰 태양보다도 질량이 8배 이상 큰 별의 중심핵이

핵융합을 완료해서 무거운 원소들로 이루어져 있다면

어느 순간 그 힘은 원자핵과 전자가 밀어내는 힘을 이겨낼 정도로

압력을 받게 됩니다.

 

참고로 우주에 존재하는 모든 원자들은

사실상 빈 공간으로 되어 있습니다.

원자핵과 전자 사이의 대부분의 공간이 사실상 빈 공간이고,

원자와 원자 사이에도

전자끼리 밀어내는 전자기력에 의해서 대부분 빈 공간으로 되어 있죠.

 

그런데 원자핵이 중성자로 변한다는 것은

이 빈공간들이 전부 다 사라진다는 것입니다.

 

중성자는 전하량이 제로이고

중성자들 간에는 전자기력이 작용하지 않기 때문이죠.

 

이렇게 만들어진 중성자 핵은

빈공간이 전부 다 사라졌기 때문에

밀도가 무진장 높아서

코딱지만한 중성자핵의 밀도는

지구의 에베레스트 산보다도 무겁습니다.

 

이렇게 별의 중력이 쿨룽의 힘을 이겨서

모든 물질이 중성자로 변해버린 별을

중성자별이라고 합니다.

 

이 중성자별의 밀도는 상상을 초월해서

표면중력도 엄청나기 때문에

인간이 표면에 착륙한다면 납작해지는 정도가 아니라

그 즉시 모든 원자가 분해되고

원자핵과 전자까지 분해가 되어

중성자별의 대기의 일부가 될 겁니다.

 

문제는 여기에서 더 나아가서

이것보다도 더 무거운 별일 경우에는

대체 어떻게 되냐는 겁니다.

 

만약 태양 질량의 30배가 넘는 별이

수명을 다하게 된다면

훨씬 더 무서운 일이 일어나게 됩니다.

마찬가지로 모든 물질이

중성자로 변한 핵은 더 큰 압력을 받게 될 겁니다.

 

이제 중성자가 그 형태를 유지해 줄 수 있는 유일하게 남은 힘은

원자핵을 구성하는 쿼크들 단위에서 일어나는 강한핵력인데

우주에 존재하는 모든 물질은

사실상 전부 다 빈공간으로 되어 있기 때문에

중력이 이 강한 핵력을 이기게 되면

모든 물질은 무한히 작은 점으로 압축되게 됩니다.

 

이 힘을 막아줄 힘은

우주에서 존재하지 않기 때문에

태양보다 수십 배 큰 질량이

전부 다 우리 눈에 보이지도 않는

작은 하나의 점에 압축이 되게 되고

이것을 우리는 블랙홀이라고 부릅니다.

 

그런데 이제 슬슬 소름 돋는 얘기를 하자면

이렇게 과거에는 태양보다 더 큰 별의 최후는

그 질량에 따라서 백색외성, 중성자별, 블랙홀

이렇게 나눌 수가 있었습니다.

 

하지만 입자물리학이 발달하고

입자가속기를 통해서 새로운 입자들을 발견하게 되면서

우리 주변에서 볼 수 없는 그런 물질들을 발견하게 됩니다.

 

우리가 알고 있는 원자핵의 양성자와 중성자는

쿼크라고 하는 것으로 이루어져 있습니다.

이 쿼크는 업 쿼크와 다운 쿼크로

각각 전하량이 3분의 2와 마이너스 3분의 1로 이루어져 있는데

이 2개 쿼크의 조합에 따라

양성자와 중성자로 나뉘게 되는 겁니다.

 

그런데 강입자 가속기에서 4개의 쿼크가 더 발견이 되었죠.

이 새롭게 발견된 쿼크들은

양성자를 강하게 충돌시켜서 나오는데

충돌시 에너지가 충분하지 않으면

업쿼크와 다운 쿼크가 나오지만

에너지가 일정량을 넘어가게 되면 새로운 물질이 나오게 됩니다.

 

그런데 문제는

새롭게 나오는 스트레인지 쿼크나 참 쿼크 같은 것들은

바로 사라져 버린다는 겁니다.

업 쿼크와 다운 쿼크보다 질량이 큰 나머지 쿼크들은

각각 질량을 제외한 그 외에 다른 물리량은

전부 다 업쿼크나 다운 쿼크와 동일했습니다.

 

이런 표준 모형을 근거로

끈이론에서는 모든 물질은 끈으로 이루어져 있고

그 끈의 진동에 따라서

이런 소립자들의 질량이 결정이 된다고 생각합니다.

 

그렇기 때문에 기본 쿼크에 더 강한 에너지가 주어지게 되면

그보다 질량이 무거운 쿼크인

참 쿼크나 스트레인지 쿼크로 충분히 변할 수 있게 되는 것이죠.

 

문제는 블랙홀이 되기에

애매한 질량의 별이 최후를 맞이했을 때 일어납니다.

중성자별의 핵은

모든 원자가 중성자가 되어

쿼크들이 혼합되어 있는 상태에서 에너지를 받게 됩니다.

 

만약 그 에너지로 참 쿼크보다 무거운 쿼크들이 생겨난다면

그 엄청난 질량으로

결국 블랙홀로 수축하게 될 겁니다.

 

그런데 6개의 쿼크들 중에

세 번째로 가벼운 스트레인지 쿼크의 경우

블랙홀로 수축하지 않고 남을 수가 있게 됩니다.

 

입자가속기와는 달리

중성자별로부터 엄청난 압력을 받고 있는

중성자별의 중심핵에서는

이런 스트레인지 쿼크가 안정적으로 있을 수가 있습니다.

 

스트레인지 쿼크 자체가 블랙홀이 되지는 않지만

블랙홀이 되지 않은 물질 중에

가장 강력한 밀도를 가짐으로

다른 원자핵이 스트레인지 쿼크와 상호작용하게 될 경우

그 원자핵의 쿼크들이

이렇게 높은 에너지의 스트레인지 쿼크로 변할 수가 있게 됩니다.

인류가 이제까지 본 적이 없는

굉장히 생소하고 무서운 물질인 것이죠.

 

물론 이렇게 극단적인 물리 조건을 실험실에서 만들 수는 없습니다.

하지만 입자가속기를 통해 알게 된

소립자들의 속성을 근거로 해서

중성자별의 임계질량 근처에 도달한

중성자별의 중심액이 어떤 상태인지

이론적으로는 이렇게 예측할 수가 있습니다.

 

이런 원리로 임계질량 근처에 중성자별의 중심에서는

엄청나게 이상한 일이 일어날 것으로 예측하고 있고

중심핵의 중성자를 이루고 있는 쿼크들은

그 힘으로 스트레인지 쿼크가 되게 되고,

중심에 있는 쿼크들이 스트레인지 쿼크가 되게 되면

이렇게 스트레인지 쿼크가 되어버린 중성자 별을

스트레인지 스타라고 부르게 됩니다.

 

물론 이론적으로 이런 스트레인지 메스가

중심핵을 빠져나와 우주 공간으로 빠져나오는 건

불가능하지 않나 싶지만

이런 별이 우주에 존재한다는 상상만으로

정말로 우주는 신비한 것 같습니다.

 

26,000광년 떨어져 있는 우리은하 중심에는

얼마나 신기한 천체들이 존재하는지 갑자기 궁금해지네요.

그럼 이만.