중성자 별의 구조와 구성에 대한 새로운 통찰을 제시하는 모델이 제시됐다.

영국 버밍엄대학교(University of Birmingham) 중력파 연구원들은 두 개의 충돌하는 중성자 별에 대한 수치적 상대성 시뮬레이션(numerical relativity simulation)을 활용한 모델을 통해 별 내부 진동을 중력파 신호로 직접 측정할 수 있음을 보여준다. 이는 조력의 영향으로 중성자 별이 변형돼 특성 주파수에서 진동하고 중력파 신호에서 별에 대한 고유 정보를 인코딩하기 때문이다.

중성자 별 충돌로 인한 중력파를 이용, 별의 진동에 대해 연구하는 성진학(asteroseismology) 연구를 극도로 조밀한 핵 물질의 미묘한 성질을 조사할 수 있다.

중성자 별은 붕괴 된 거대한 별들의 초 고밀도 잔재다. 그것들은 수천 개의 전자기 스펙트럼에서 관찰됐지만 그 성질에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. 두 개의 중성자 별이 만나 이진 시스템을 형성할 때 방출되는 중력파를 측정해 고유한 정보를 수집할 수 있다.

알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 처음 예측한 시공간 파동은 2015년에 진보된 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에 의해 처음 발견됐다.

중성자 별의 진동을 측정하기 위해 중력파 신호를 활용함으로써 연구자들은 이 별들의 내부에 대한 새로운 통찰력을 발견할 수 있을 것이다. 이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표됐다.

이 연구의 주요 저자 버밍엄대 중력파 연구소 게라인트 프레튼(Geraint Pratten) 박사는 “두 별이 서로 나선으로 회전하면서 상대 별에 가하는 중력에 의해 모양이 왜곡된다. 중성자 별에 작용하는 조력은 별 내부의 진동을 자극하여 내부 구조에 대한 통찰력을 제공한다. 중력파 신호에서 이러한 진동을 측정함으로써 신비한 물체의 기본 성질과 구성에 대한 정보를 추출 할 수 있다”고 말했다.

개발한 모델을 통해 다른 식으로는 접근할 수 없는 이러한 진동의 주파수를 중력파 측정에서 직접 결정할 수 있다. 연구진은 이진 중성자 별 합병 (GW170817)에서 처음 관측된 중력파 신호에 모델을 사용했다.

공동 저자인 패트리샤 슈미트 박사( Dr. Patricia Schmidt)는 “이진 중성자 별의 첫 중력파가 관측된 지 거의 3년이 지났지만, 우리는 여전히 신호에서 그것들에 대한 더 많은 정보를 추출할 수 있는 새로운 방법을 찾고 있다. 더 정교한 이론적 모델을 개발함으로써 우리가 중성자 별의 진정한 본질을 밝힐 수 있을 것”이라고 말했다.

2030년 이후 계획된 차세대 중력파 관측소는 이진 중성자 별을 탐지하고 현재보다 훨씬 더 자세히 관측할 수 있다.

프레튼 박사는“이 초기 사건의 정보는 신호를 분리하기 어려운 배경 잡음이 많기 때문에 제한적이었다. 보다 정교한 기기를 사용하면 이러한 진동의 주파수를 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있어 정말 흥미로운 통찰력을 얻을 수 있다”고 덧붙였다.

*Pratten et al (2020). “Gravitational-Wave Asteroseismology with Fundamental Modes from Compact Binary Inspirals” Nature Communications, 2020.