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밀리초 펄사

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목차

1. 개요

밀리초 펄서는 초당 수백 번 회전하는 중성자별로, 저질량 X선 쌍성계에서 강착된 물질의 각운동량 전달을 통해 회전 속도가 증가하여 형성되는 것으로 추정된다. 많은 밀리초 펄서가 구상 성단에서 발견되며, 펄서의 회전 속도에는 이론적인 제한이 존재한다. 펄서 타이밍 배열을 이용한 중력파 검출 연구에 활용되며, NANOGrav 연구를 통해 확률적 중력파 배경에 대한 증거를 제시했다.

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밀리초 펄사
기본 정보
유형전파를 방출하는 중성자별
회전 주기10밀리초 미만
발견1982년
형성
과정쌍성계 내 별에서 질량 축적
특징
회전 주기매우 짧음 (1~10밀리초)
자기장상대적으로 약함 (10^4 ~ 10^9 가우스)
나이수백만 년에서 수십억 년
위치구상성단
우리 은하 원반
연구
활용일반 상대성 이론 검증
중력파 연구
원자 시계 정확도 경쟁

2. 기원

밀리초 펄사는 저질량 X선 쌍성계와 관련이 있는 것으로 추정된다. 이러한 계에서 X선은 동반성의 바깥층이 로슈 로브를 넘쳐서 생성된 중성자별의 강착 원반에서 방출되는 것으로 생각된다. 이러한 강착 현상으로부터의 각운동량 전달은 펄서의 회전 속도를 초당 수백 번으로 증가시킬 수 있다.

최근 표준 진화 모델로는 모든 밀리초 펄서의 진화를 설명하기 어렵다는 증거가 나왔다. 특히 상대적으로 높은 자기장을 가진 젊은 밀리초 펄서인 PSR B1937+21이 그 예이다. Bülent Kiziltan과 S. E. Thorsett (UCSC)는 서로 다른 밀리초 펄서가 최소 두 가지 이상의 뚜렷한 과정으로 형성되어야 함을 보였다.[3] 그러나 다른 과정의 본질은 여전히 밝혀지지 않고 있다.[4]

2. 1. 구상성단 내 밀리초 펄서

많은 밀리초 펄서가 구상 성단에서 발견된다. 이는 이러한 성단의 별의 밀도가 매우 높아 펄서가 거대한 동반성을 가질(또는 포획할) 가능성이 훨씬 더 높다는 것을 의미하며, 펄서의 회전 속도 증가 가설과 일치한다. 현재 약 130개의 밀리초 펄서가 구상 성단에서 알려져 있다.[5] Terzan 5에는 37개, 47 Tucanae에는 22개, M28과 M15에는 각각 8개의 펄서가 있다.

3. 펄서 회전 속도의 제한

현재 중성자별의 구조와 진화 이론에 따르면 펄서가 초당 1500회 이상 회전하면 분해될 것이라고 예측한다.[52][53] 초당 1000회가 넘는 속도로 회전하면 중력파 방출로 인해 에너지를 잃게 된다.[54] 2007년 초, 로시 X선 타이밍 익스플로러와 INTEGRAL 우주선이 1122Hz로 회전하는 중성자별 XTE J1739-285를 발견했지만,[55] 이 결과는 통계적으로 유의미하지 않으며 유의 수준은 3 시그마 밖에 되지 않아 추가 관측이 필요하다.

3. 1. 가장 빠르게 회전하는 펄서

최초의 밀리초 펄서 PSR B1937+21은 1982년 배커 등에 의해 발견되었다.[6] 이 펄서는 초당 약 641회 회전하며, 발견된 약 200개의 밀리초 펄사 중 두 번째로 빠르게 회전하는 펄사이다.[7] 2004년에 발견된 펄사 PSR J1748-2446ad는 2023년 현재 초당 716회 회전하며 알려진 가장 빠르게 회전하는 펄사이다.[8][9]

3. 2. 중력파 방출

현재 중성자별의 구조와 진화 이론에 따르면 펄사가 초당 1500회 이상 회전하면 분해될 것이라고 예측한다.[52][53] 그리고 초당 1000회가 넘는 속도로 회전하면 중력파에 의해 에너지를 잃게 된다.[54]

2007년 초, 로시 X선 타이밍 익스플로러와 INTEGRAL 우주선의 데이터에서 1122 Hz로 회전하는 중성자별 XTE J1739-285가 발견되었다.[55] 이 결과는 통계적으로 유의미하지 않으며, 유의 수준은 3 시그마 밖에 되지 않아 추가 관측이 필요하다. 그럼에도 불구하고 중력파가 회전 속도를 늦추는 데 역할을 하는 것으로 여겨진다. 초당 599회 회전하는 엑스선 펄사인 IGR J00291+5934는 중력파 검출의 주요 후보이며, 대부분의 엑스선 펄사는 초당 약 300번 회전한다.

4. 중력파 검출에의 응용

펄서는 매우 정확한 시계 역할을 하기 때문에, 중력파 검출에 응용될 수 있다.[17][18] 펄서는 천체 역학, 중성자별 지진학, 강한 장 중력의 테스트, 은하 천문학 등 다양한 분야에 활용된다. 특히, 밀리초 펄서는 정밀한 시간 측정 도구로 사용되어 펄서 타이밍 배열을 이용한 중력파 검출 연구에 중요한 역할을 한다. 중력파가 지나가면 국부 시공간 메트릭이 교란되어 펄서의 관측된 회전 주파수에 변화가 발생하며, 이를 통해 중력파의 존재를 간접적으로 확인할 수 있다.

4. 1. 펄서 타이밍 배열

펄서를 중력파 감지기로 사용하자는 아이디어는 1970년대 후반에 사진[17]과 데트와일러[18]가 처음 제안했다. 이 아이디어는 태양계의 질량 중심과 멀리 떨어진 펄서를 공간의 가상 팔 양쪽 끝으로 취급하는 것이다. 펄서는 팔의 한쪽 끝에서 기준 시계 역할을 하며, 지구상의 관찰자는 펄서가 보내는 정기적인 신호를 모니터링한다. 중력파가 지나가면 국부 시공간 메트릭이 교란되어 펄서의 관측된 회전 주파수가 변화한다.

1983년 헬링스와 다운스[21]는 이 아이디어를 펄서 배열로 확장하여, 확률적 중력파 배경이 하늘에서의 각도 분리에 따라 다른 펄서 쌍 사이에 사중극 상관 관계를 생성한다는 것을 발견했다. 그러나 이 연구는 배열 내 펄서 시계의 정밀도와 안정성에 의해 감도가 제한되었다. 1982년 최초의 밀리초 펄서가 발견된 후, 1990년 포스터와 베이커[22]는 헬링스-다운스 곡선 분석을 고도로 안정적인 밀리초 펄서 배열에 적용하여 중력파에 대한 감도를 향상시켰다.

디지털 데이터 수집 시스템, 새로운 전파 망원경 및 수신기 시스템의 출현, 그리고 많은 새로운 밀리초 펄서의 발견은 국제적 노력의 초기 단계에서 펄서 타이밍 배열의 중력파 감도를 향상시켰다.[23] 2013년 데모레스트 등은 5년간의 데이터 공개, 분석, 그리고 확률적 중력파 배경에 대한 최초의 NANOGrav 제한을 설명했다.[24] 이후 2015년과 2018년에 각각 9년 및 11년 데이터가 공개되었다. 추가적인 데이터 공개는 각각 중력파 배경을 제한했으며, 특히 2018년에는 태양계 질량 중심 결정 기술이 개선되었다.


4. 1. 1. NANOGrav의 연구 결과

2020년, NANOGrav는 12.5년 관측 데이터를 통해 모든 펄서에서 공통적인 변형 진폭과 스펙트럼 지수를 가진 멱법칙 확률적 프로세스에 대한 강력한 증거를 제시하였다. 그러나 헬링스-다운스 사중극 공간 상관 관계에 대해서는 통계적으로 결정적이지 않은 데이터를 포함하고 있었다.[25][26]

2023년 6월, NANOGrav는 15년 관측 데이터를 통해 확률적 중력파 배경에 대한 최초의 증거를 발표하였다. 특히, 이 데이터는 관측의 중력파 기원을 나타내는 확실한 징후인 헬링스-다운스 곡선에 대한 최초의 측정을 포함하였다.[27][28][29]

4. 2. 밀리초 펄서의 활용

밀리초 펄서는 수십 년 동안 평균적으로 원자 시계 기반의 시간 표준과 비슷한 안정성을 가지고 있어 정밀한 측정이 가능하다.[14][15] 이는 밀리초 펄서가 주변 환경 변화에 매우 민감하게 반응하는 탐침 역할을 할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 밀리초 펄서 주위를 공전하는 물체는 펄스가 지구에 도착하는 시간에 주기적인 도플러 효과를 일으킨다. 이를 분석하면 동반체의 존재를 밝혀낼 수 있으며, 충분한 데이터를 통해 궤도와 물체의 질량을 정밀하게 측정할 수 있다. 이 기술은 소행성과 같이 작은 물체라도 밀리초 펄서를 공전하는 경우 감지할 수 있을 정도로 민감하다.

최초로 확인된 외계 행성계는 "일반적인" 태양과 같은 별 주위에서 외계 행성이 처음 발견되기 몇 년 전에 밀리초 펄서 PSR B1257+12 주위에서 발견되었다. 이 행성들은 수년 동안 태양계 밖에서 알려진 유일한 지구 질량 물체였다. 그중 하나인 PSR B1257+12 b는 달의 2배가 채 되지 않는 더 작은 질량을 가지고 있으며, 현재까지 태양계 밖에서 알려진 가장 작은 질량의 물체이다.[16]

참조

[1] 논문 Formation and evolution of binary and millisecond radio pulsars
[2] 서적 Formation and evolution of compact stellar X-ray sources
[3] 논문 Constraints on Pulsar Evolution: The Joint Period-Spin-down Distribution of Millisecond Pulsars
[4] 뉴스 Surprising Trove of Gamma-Ray Pulsars http://www.skyandtel[...]
[5] 웹사이트 Pulsars in globular clusters http://www2.naic.edu[...] Arecibo Observatory 2007-01-18
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[8] 논문 A Radio Pulsar Spinning at 716 Hz
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