중성자별의 핵에서 마찰이 전혀 없는 특이한 상태의 물질인 `초유동체'(超流動體 superfluid)가 발견돼 초고밀도 상태에서 일어나는 물질 내부의 핵상호작용을 이해하는데 중요한 단서를 제공하고 있다고 사이언스 데일리가 23일 보도했다.

멕시코 국립대(UNAM) 연구진과 러시아 상트페테르부르크의 이오페 연구소 과학자들은 각자의 연구를 통해 이런 사실을 발견, 물리학 리뷰 레터스와 영국천문학회 월보에 각각 보고했다.

지구상의 실험실에서 만들어진 초유동체는 위로도 올라가고 밀폐용기에서도 빠져나오는 등 특이한 성질을 보인다.

중성자별을 이루는 물질은 찻술 하나 분의 무게가 60억t이나 될 정도로 초고밀도 상태이다. 중성자별 핵의 압력이 너무나 높기 때문에 전자와 양성자 등 전하를 띤 입자들은 대부분 결합해 전하가 없는 중성자가 대부분인 별이 만들어진다.

연구진은 지구에서 1만1천광년 거리에 있는 카시오페이아 A(카스 A)의 잔해인 중성자별을 찬드라 망원경으로 관찰한 결과 약 330년 전에 폭발한 초신성의 잔해인 이 중성자별의 온도가 10년간 4%나 낮아졌음을 발견했다.

연구진은 "온도가 이만큼이나 낮아졌다는 것은 실로 놀라운 일"이라면서 "이는 중성자별 내부에서 무언가 심상치 않은 일이 일어나고 있음을 말해주는 것"이라고 말했다.

전하를 띤 입자로 이루어진 초유동체는 에너지 손실이 전혀 없는 완벽한 전도체이기도 하다. 따라서 새로 발견된 사실은 중성자별의 핵에 남아 있는 양성자가 초유동체 상태이며 초전도체임을 의미한다는 것이다.

러시아 연구진은 "카스 A 중성자별에서 급속한 냉각현상이 일어나는 것은 이 별의 핵이 초유동체이자 초전도체 물질로 이루어져 있음을 말해주는 최초의 직접적인 증거"라고 강조했다.

두 팀 모두 이처럼 급속한 온도 저하현상은 중성자별 내부에서 지난 100년 동안 중성자 초유동체가 형성됐기 때문이라고 설명하고 있다. 이들은 또 급속한 냉각은 앞으로 수십년간 계속된 후 서서히 속도가 둔화할 것이라고 전망했다.

지구에서 물질에 초유동성이 생기는 것은 절대온도 0도에 가까운 극저온일 때 일어나는 현상이지만 중성자별에서는 섭씨 10억도의 초고온에서 이런 일이 일어난다.

지금까지는 초유동체가 형성되는 임계온도가 매우 불확실했는데 이 연구를 통해 임계온도의 범위가 10억도에서 5억도 사이로 좁혀졌다.

과학자들은 카스 A를 통해 원자 이하의 입자들을 결합시키는 핵력이 초밀도 물질 속에서 어떻게 활동하는지 알 수 있게 됐다고 강조했다.