두 중성자별이 46분 만에 서로를 지나간다 — 0.5% 확률에서 나온 궤도

79일마다 한 번, 죽은 별 두 개가 서로의 옆을 스친다. 단, 그 과정은 46분 안에 끝난다. 2026년 10월 21일 arXiv에 올라온 논문이 공개한 이 천체는, 은하계 어디에도 있을 법하지 않던 궤도를 그대로 쓰고 있다.

배경: 펄서란 무엇인가

중성자별은 초대질량의 별이 연료가 바닥난 뒤 남은, 지름 20km 남짓의 죽은 핵이다. 이 핵이 빠르게 회전하면 자기축을 따라 전자기파가 빔처럼 쏜다. 지구에서는 그 빔이 주기적으로 스쳐 지나갈 때만 전파가 잡히고, 그래서 이 천체의 이름이 펄서(pulsar) — 박동하는 별이라는 뜻이다.

중성자별 두 개가 서로를 도는 이중 중성자별(DNS) 은 그 자체로 중력파 발생원이다. 두 몸체가 서로의 시공간을 휘게 만들기 때문이다. 언젠가는 이 두 몸체가 충돌해 강력한 중력파를 터뜨릴 것으로 여겨진다. 그래서 DNS는 중력파 천문학이 가장 기대하는 표적이었다.

발견된 것

Z. L. Yang 등 24인 연구팀이 은하역장에 새로운 DNS PSR J0653+0443을 보고했다. 두 성분은 모두 태양질량의 약 1.4배였다. 그리고 이 시스템의 궤도는 아래 수치로 규정된다.

• 공전주기 79.084일 — 두 별이 한 바퀴 도는 데 79일이 걸린다.
• 이심률 e = 0.992387 — 궤도가 거의 정타원이다. 두 별은 79일의 대부분을 서로 멀리 떨어진 채 보내다가, 갑자기 하나로 빨려 들어온다.
• 근점 통과 46분 — 이심률 0.99를 가지면 근점을 도는 구간이 길어야 몇 분이다. 이 시스템은 진위이각 -90도에서 +90도까지, 통째로 46분이 걸렸다.
• 근점 상대운동 최고 가속도 1.11km/s², 최고 속도 1.14×10⁶ m/s — 공전주기 79일에 비하면 이 46분이 시스템 전체를 지배하는 짧은 순간이다.
• 85초짜리 식(eclipse) — 펄서가 85초 동안 상대 중성자별 뒤로 들어가 빛이 완전히 가려진다. 우리가 이 물체를 거의 정면에 선 각도에서 보고 있다는 뜻이다.
• 펄스 도착 시간 변조 -2.91 ~ +2.49ms — 근점의 짧은 시간 변화만으로 펄스가 밀리거나 빨라졌다. 다른 어떤 DNS에서 관측된 것보다 최소 10배 이상 큰 진폭이다. 여기서 근점 진행 속도를 비상대론적 항으로 -1.5(+0.9/-0.8)×10⁻⁴도/년으로 제한했다.

타원 궤도가 생긴 방법

문제의 핵심은 이심률이다. 이런 극단적 타원 궤도는 보통 공명으로 서서히 만들어진다. 하지만 연구팀은 이 시스템의 이심률 0.992를 설명할 수 있는 경로가 단 하나임을 짚었다.

철-코어 붕괴 초신성이 원래 둥근 궤도의 한 성분을 강하게 날려버린 것이다. 초신성이 뿜어내는 운동 킥이 질량이 큰 별에서 철 코어가 붕괴할 때 나올 수 있고, 충분히 크면 이전의 짝을 있던 궤도에서 찢어내 전부 내쫓아낸다. 남은 것이 지금 관측되고 있는, 이 대단한 진공 궤도다.

왜 문제가 되는가

그런 시스템이 은하계에 있다는 것이 기묘한 점이다. 연구팀의 계산상 이런 DNS가 나올 예측 확률은 5×10⁻³, 즉 0.5%도 되지 않는다. 그럼에도 실제로 하나가 찾아졌다. 이것은 이중성 진화에 대한 현재의 이해가 뭔가 잘못 짚고 있음을 시사하는 하나의 자료점이다.

동시에 이 천체는 중력파 천문학에 대한 특수한 표적이다. 일반적인 DNS는 공전에 따른 아주 약하고 얇은 파형을 방출하지만, 이 시스템은 근점을 지날 때마다 주기적으로 중력파를 버스트 형태로 방출한다. 연구팀은 그 에너지 플럭스 정점이 0.357mHz에 있다고 계산하며, 향후 LISAmax 미션의 이상적인 표적이라고 지목했다.

지금 관측 중인 DNS들은 너무 멀고 중력파 신호가 너무 약하다. 이 시스템은 공전주기 79일만 기다리면 되며, 0.357mHz라는 저주파 대역은 우주가 가장 먼저 사출하는 방사선대(21cm 파장)보다 더 낮은 주파수다. 아직 거의 건드리지 않은 창구다.

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출처

• arXiv:2610.29838 [astro-ph.HE] — PSR J0653+0443: An Eclipsing Millisecond Pulsar in an Extremely Eccentric Double Neutron Star System, 2026년 10월 21일 제출: https://arxiv.org/abs/2610.29838
• 위 논문의 전문(PDF): https://arxiv.org/pdf/2610.29838

본 글은 arXiv 게재 논문의 초록에서 확인된 수치만을 사용했습니다. 논문 주석에는 'accepted by Nature physics'로 기재되어 있습니다.