일반적으로 별의 내부에서 안으로 향하는 중력은 뜨거운 중심핵의 압력과 평형을 이루고 있다. 만약 별 중심부의 압력이 제거된다면 별의 구성 요소들은 중심을 향하여 끌어당겨지고, 이로 인해 별의 크기는 줄어들게 된다. 이와 반대로 중력의 효과가 없어져 버린다면 뜨거운 별의 내부는 폭발하여 흩어지게 된다. 정상적인 별은 거의 평형 상태에 있다. 압력이 중력과 균형을 이루고, 중심핵에서의 핵융합은 표면에서 방출된 열을 보충하는 데 필요한 만큼의 에너지를 만들어낸다.

좀 더 무거운 별들은 에너지를 빨리 소모하며 초신성으로 일생을 마치는데 폭발의 결과로 파편들이 우주 공간에 흩어져서 모든 원소를 합성하는 데 있어 결정적인 역할을 한다.

1934년 천문학자인 월터 바데와 프리츠 츠비키는 초신성이 보통의 별에서 주로 중성자로 이루어진 중성자별로의 변환을 나타낸다는 주장을 하였다. 그들은 초신성 폭발이 별의 중심핵이 붕괴할 때 폭발적으로 방출된 중력 에너지에 의해 진행되고 아주 작은 찌꺼기가 남게 된다고 생각했다. 당시 원자의 중심에 있는 무거운 원자핵은 원자보다 훨씬 작다는 것과 원자의 전반적인 크기는 원자핵 주위에 퍼져 있는 전자구름에 의해 결정된다는 것은 이미 알려져 있었다. 중성자별에는 원자핵 그 자체가 빽빽하게 채워져 있다고 그들은 주장했다. 만약 그렇다면 별의 크기는 반지름 10km 이내로 압축될 수 있을 것이고, 백색왜성보다도 수백만 배나 밀도가 크게 될 것이다.

보통 원자의 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 따로 떨어져 있는 중성자는 불안정하며 자발적으로 붕괴하여 양성자와 전자가 된다. 극도로 밀도가 높은 경우에는 반응이 반대로 진행된다. 양성자가 중성자로 바뀐다.

츠비키는 다른 은하에 있는 초신성들을 연구하여 여러 유형으로 분류했다. 그는 중성자별에 대한 그의 생각을 계속 진행하였는데 이에 대한 구체적인 과정을 밝혀내는 데 있어 어려움을 겪었다. 이때 오펜하이머는 조지 볼코프와 함께 원자핵 물리학을 이용하여 중성자별의 상태에 대한 계산을 성공시킬 수 있었다. 이로 인해 중성자별에 대한 이해가 비로소 완성되기에 이르렀다.

중성자별은 아주 작아 실제 모양은 관측하기에 힘들며, 표면 온도와 회전의 특성에 의해 파악할 수 있다. 표면 온도는 약 십만도 정도이며 회전 주기는 0.001초에서 10초 정도가 된다. 중성자별은 매우 큰 자기장을 가지고 있으며, 전파, 엑스선, 감마선의 복사를 방출한다.

1967년 안토니 휴이시와 조셀린 벨은 전파 망원경을 이용해 최초로 중성자별을 발견했다. 이들은 1.33초의 아주 빠른 주기적인 밝기의 변화를 보이는 전파원을 발견하였고, 이를 빠른 회전에 의한 전파 강도 변화로 해석하여 중성자별임을 입증해 냈다. 우주는 이렇듯 아주 신비한 것으로 가득한 보물 창고임이 틀림없다.

글 | 정태성(한신대학교 교양대학 교수)