펄서(맥동하는 별의 줄임말)라고 불리는 자연 현상
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작성자 타라곤 댓글 0건 조회 1,652회 작성일 12-06-14 23:02
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1960년 후반기에 천문학자들은 1초보다 작은 데서 수초의 주기를 지고 아주 규칙적으로 맥동하는 전파원을 발견했다. 그 주기는 아주 정하다. 오직 초 정밀도를 가진 원자시계만이 그 주기에 미세하게 반거린다. 처음에 일부 천문학자들은 외계 생명체가 보낸 신호를 골라다고 생각했다. 새로운 펄서를 몇 개 더 발견한 뒤고 그 생각은 신뢰를 잃게 되었다. 그것들은 펄서(맥동하는 별의 줄임말)라고 불리는 자연 현상이다.
표준 변광성들은 크기와 온도가 변하기 때문에 밝기가 변한다. 별의 밀도로부터 맥동하는 주기를 결정할 수 있다. 밀도가 큰 별은 낮은 밀도를 가진 변광성보다 빨리 맥동한다. 그러나, 표준별과 백색거성은 1초 이하로 맥동할 만큼 조밀하지 못하다. 중성자별은 엄청난 밀도를 가지고 있기 때문에 매우 빨리 맥동한다. 아주 빨리 밝은 점을 가지고 회전하는 물체는 빠른 플래시를 방출한다. 표준별과 백색거성은 서로 함께 묶을 만한 중력을 가지고 있지 않기 때문에 빨리 회전할 수 없다. 게성운의 중심에 있는 펄서는 매초 30회 회전한다. 허블 우주망원경의 화상의 가운데에 있는 2개의 밝은 별 중 왼쪽 것이 그것이다. 합성 화상으로 더 크게 보기 위해서 그 화상을 선택하라.
각각의 펄스 그자체에서 또 다른 열쇠가 주어진다. 각각의 펄스는 1000분 1초 동안 지속된다. (펄스 사이의 시간은 위에서 언급한 주기이다.) 과학에서 중요한 원리는 빛이 그 반경을 통과하는 것보다 빨리 물체가 그것의 밝기를 바꿀 수 없다는 것이다. 심지어 물체의 모든 곳의 밝기가 마술과도 같이 자발적으로 밝아진다고 하더라도, 물체의 가까운 쪽보다 먼 쪽에서 나오는 빛이 도달하는데 더 시간이 걸린다. 밝기가 변하는 것을 관찰해보면 먼 쪽에서 가까운 쪽으로 빛이 도달하는 것과 같은 시간 간격을 갖게 된다. 만약 물체의 모든 부분이 자발적으로 밝아지지 않는다면, 더 작은 물체가 같은 간격을 갖는 펄스를 발생하게 된다. 밝기의 변동에 대한 시간의 크기로부터 물체의 최대 크기를 구할 수 있다.
1000분의 1초 동안 에너지가 발산되는 것으로부터 펄서가 적어도 300,000km/sec의 속도를 갖는다는 것을 알 수 있다. (1/1000초 = 가로지르는데 300km) 이 값은 표준별이나 백색거성에 대해서는 너무나도 작은 값이지만, 중성자별에게는 맞다. 중성자별이 생성되게 되면, 아주 빨리 회전하고 아주 강력한 자기장을 갖게 된다. (태양의 109 - 1012 배) 그 자기장은 그 별의 이전 수명 단계에서의 자기장 흔적이다. 자기장은 별에 고정된고, 따라서 핵이 붕괴할 때, 자기장 역시 압축되게 된다. 자기장은 점점 더 조밀해지고 이전보다 더욱 강력해 진다.
왜 중성자별은 빨리 회전하는 회전체가 될까? 각 운동량 보전의 법칙! 마치 피셔 스케이트 선수가 팔과 다리를 몸 중심으로 끌어 당겨서 빨리 회전할 수 있는 것과 마찬가지로, 별 또한 물질을 중심으로 뭉침으로써 빨리 회전할 수 있게 된다. (물체의 각운동량) = (물체의 질량) (물체의 회전속도) (물체의 회전반지름). 질량은 일정하다. 각운동량이 일정해지기 위해서는 반지름이 줄어들 때, 회전속도는 증가해야만 한다. 이렇게 함으로써 회전속도와 반지름의 곱이 일정하게 된다. 작고 빨리 회전하는 중성자별이 될 때, 천천히 회전하는 적색거성은 같은 각운동량을 가지게 된다. 다른 예에 대해서는 부록의 각운동량 (Angular Momentum appendix) 을 보도록 하라.
등대 모델
회전하는 중성자별은 바다에 있는 배에 대해서 등대에 빛을 비추는 것과 같이, 시선방향으로 가로지르는 빛의 복사를 만들어 낸다. 등대모델에서 중성자별의 강력한 자기장이 강력한 전기장을 만들어 낸다. 전기장은 전하를 띤 입자 (대부분 전자)가 자기장의 극으로부터 흘러나오게 한다. 전하를 띤 입자가 자기력선 주위로 나선을 그리면서, 전자기파를 발산한다. (전자기파 단원 으로부터 움직이는 전하는 전자기 복사를 만들어냄을 상기하라.) 이 에너지는 뜨겁고, 조밀한 물체로부터 생성된 것이 아니라 가속된 전하로부터 생성된 것이므로 비열복사라고 불린다. 연속 스펙트럼의 형태는 일반적인 열 스펙트럼과 다르며, 온도에 의존하지 않는다. 지구에 있는 "싱크로톤"이라 불리는 물리실험실의 입자가속기는 같은 종류의 복사를 생성해 내며, 따라서 종종 "싱크로톤 복사"라고 불린다.
중성자별의 자기력선은 자기장의 극에 모이게 되고, 따라서 전하는 밀집되고, 비열복사의 좋은 원추는 밖으로 발산된다. 만약 그 빛이 지구를 지나게 되면, 섬광을 볼 수 있게 된다. 그렇지만, 자기장의 극이 정렬되는 넓은 각도의 범위는 주어졌기 때문에 빛을 지구를 지나치지 않게 될 것이다. 빛이 시선 방향으로 지나치지 않기 때문에 그 밖에 더 많은 펄서가 아마도 존재할 것이다.
비열복사에 의한 빛의 에너지는 펄서의 회전에 의한 에너지로부터 생긴 것이다. 빛 에너지가 발산하기 때문에 에너지 광선이 생김으로써 펄서는 에너지를 잃고 펄서의 회전속도는 느려진다. (각운동량은 서서히 감소한다.) 이러한 과정을 보는 또 다른 방법은 뉴튼의 운동 3법칙으로부터 나온다. 자기장은 전하를 띤 입자에 힘을 미치고, 가속시킨다. 전하를 띤 입자는 자기장에 반작용 힘을 미치고, 입자와 펄서의 속도를 감소시킨다. 결국 중성자별이 너무 천천히 회전하게 되면서 복사광선을 발산하게 되면 펄서는 죽게된다. (수초에 이르는 주기를 가짐)
언제나 펄서에서 나오는 펄스속도에는 변이를 볼 수 있다. 펄서의 회전속도가 갑자기 증가하기도 한다. 이렇게 만드는 것은 중성자별이 갑자기 약 1mm정도 수축하기 때문이다. 회전속도는 각운동량을 보존하기 위해서 갑자기 빨라진다.
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