심우주의 '전파 심장 박동', 마침내 정체 드러내다: 한 학생 천문학자가 찾아낸 우주의 '로제타석'

느린 전파 펄스, 그 시작은 미스터리였다

이야기는 2022년, 천문학자들이 이른바 장주기 전파 일시적 현상(Long-period radio transients, LPT) 이라 불리는 첫 신호를 발견하며 시작됐습니다 . 1초에 수백 번 깜빡이는 기존의 펄서(빠르게 회전하는 중성자별)와 달리, 이 신호들은 몇 분에서 거의 한 시간에 이르기까지 훨씬 느린 시간 간격으로 펄스를 방출했습니다 . 이렇게 긴 주기는 중성자별로는 설명할 수 없었습니다. 중성자별이 너무 빨리 회전하기 때문이죠. 다른 어떤 알려진 천체도 이 신호에 들어맞지 않아 LPT의 기원은 완전한 수수께끼로 남아 있었습니다 .

ASKAP J1745−5051은 이런 미스터리 천체들 중 처음으로 그 정체가 명확히 밝혀진 사례입니다. 이번 연구를 이끈 시드니 대학교 박사과정 학생 코비 로즈(Kovi Rose)는 "이 발견은 천문학자들이 '장주기 전파 일시적 현상(LPT)'이라 부르는 것에 대한 최초의 확정적 규명 사례"라고 설명했습니다 . 연구팀은 신호를 추적한 끝에 동반 적색 왜성으로부터 물질을 빨아들이고 있는 백색 왜성을 특정하며, 주기적 폭발의 엔진을 정확히 찾아낸 것입니다 .

진짜 '로제타석'의 발견, 그 이유는?

실제 로제타석이 여러 문자로 쓰인 하나의 텍스트를 제공함으로써 이집트 상형문자 해독의 열쇠가 되었듯, ASKAP J1745−5051도 LPT의 언어를 해독하는 데 결정적 단서를 제공합니다. 이 단일 천체계가 그간 여러 LPT에서 관측된 당혹스러운 특징들을 하나로 통합하고 있기 때문입니다 .

• 다양한 파장의 신호: 가장 결정적인 점은 이 천체계가 전파뿐만 아니라 주기적인 X선도 방출한다는 점입니다. 호주의 ASKAP 망원경과 중국의 아인슈타인 프로브 위성 등을 이용한 이 동시 관측을 통해, 이 폭발이 단순한 별의 자전이 아니라 '강착(accretion)', 즉 중력에 의해 물질이 찢기는 과정에서 비롯된다는 사실이 확증되었습니다 .
• 정확한 '시계' 메커니즘: 1.4시간이라는 주기는 별 자체의 자전 주기가 아니라, 쌍성이 서로의 주위를 도는 공전 주기이며, 이 타이밍은 강착 과정과 직접적으로 연결됩니다 .
• 전파 방출 과정: 이 전파 방출은 '전자 사이클로트론 메이저 불안정성(electron cyclotron maser instability)'이라는 현상에 의해 발생하는 것으로 보입니다. 이는 백색 왜성의 극한 자기장 환경에서 발생할 것이라고 오랫동안 이론적으로 예측되어 왔으나 실제로 관측된 사례는 드문 현상입니다 .

극한의 물리학을 들여다보는 '자연 실험실'

이 발견은 LPT의 정체성에 대한 논란을 해결한 것을 넘어, 극한의 물리 현상을 실시간으로 연구할 수 있는 희귀한 '자연 실험실'을 제공한다는 점에서 더욱 의미가 깊습니다 . 이 천체계는 '극변광성 전 단계(pre-polar)' 의 격변 변광성입니다. 이는 강한 자기장을 가진 백색 왜성이 아직 동반성과 완전히 공전 동기화되지 않은 상태를 말합니다. 이는 쌍성계의 일생에서 매우 짧은 순간에 불과해, 백색 왜성이 동반성을 완전히 틀어쥐고 집어삼키기 전까지 어떻게 진화하는지 보여주는 매우 희귀한 장면을 과학자들에게 제공합니다 .

이 실험실 안에서 연구자들은 이제 다음과 같은 것들을 연구할 수 있습니다:

• 자기장 강착 흐름: 강력한 자기장이 동반성에서 빼앗은 초고온 플라스마를 어떻게 통제하고 끌어당기는지 직접 관측할 수 있습니다 .
• 결맞음 방출 메커니즘: 실제 천체물리학적 환경에서 전자 사이클로트론 메이저 과정이 어떻게 작동하는지 시험할 수 있습니다. 이 메커니즘은 외계 행성의 자기권에서도 작동할 가능성이 있습니다 .
• 물질의 극한 상태: 지구만 한 크기에 백색 왜성의 밀도와 자기장을 지니고, 동시에 다른 별을 먹어 치우고 있는 천체를 연구할 수 있습니다 .

이 발견이 남긴 유산은 두 가지입니다. 첫째, LPT의 기원을 최초로 직접 규명함으로써 4년 묵은 우주의 수수께끼를 풀었습니다. 둘째, 자기장 백색 왜성의 방출에 관한 오랜 이론을 실제로 입증하며, 향후 유사한 미스터리 신호의 비밀을 풀기 위해서는 전파와 X선 관측을 통합하는 것이 필수 전략임을 확립했습니다 . 한때 우주를 떠돌던 고아 같던 신호가 마침내 제자리를 찾은 것입니다.