FAST 펄서 발견으로 아직 진화 중인 별을 포함한 희귀 삼중성계 확인

세 번째 별이 특이한 펄서 시계의 비밀을 설명하다

초당 약 312회 자전하는 펄서, 8일마다 그 주위를 도는 백색왜성, 그리고 태양과 질량이 비슷하고 73.5년 주기로 공전하는 별이 매우 희귀한 삼중성계를 이룬다. 중국과 유럽 천문학자들이 각각 PSR J0435+3233 주변에서 이 계를 확인했으며, 펄서의 자전에서 관측된 이례적인 변화는 대부분 멀리 떨어진 동반성의 중력이 남긴 신호라는 사실을 밝혀냈다.

중국과학원 국가천문대는 2026년 10월 9일 《천체물리학 저널 레터스》에 연구 결과가 게재됐다고 발표했다. 국가천문대의 발견 발표에 따르면, 이 천체는 별 동반성 두 개를 가진 것으로 확인된 두 번째 펄서계이자, 동반성이 아직 일반적인 항성 진화를 이어가는 원시 삼중성계로는 처음 확인된 사례다.

이 구분은 중요하다. 앞서 알려진 유사한 계 PSR J0337+1715에는 펄서와 백색왜성 두 개가 있다. J0435+3233의 바깥쪽 동반성은 아직 조밀한 잔해가 되지 않았다. 연구진은 이 별을 G형 준거성으로 확인했다. 태양과 비슷한 온도를 지녔으며, 주계열 단계의 수소 연소를 마치고 그 이후 단계로 넘어가기 시작한 별이다.

이번 발견은 천문학자들이 펄서의 타이밍을 해석하는 방식도 바꿔 놓는다. 측정된 펄서의 자전 주기는 1년에 약 1나노초씩 길어진다. 이는 비슷한 밀리초 펄서에서 관측되는 속도의 약 100배다. 새로운 분석은 이례적으로 큰 관측 변화가 중성자별 자체의 자전 감속을 직접 측정한 결과라기보다, 바깥쪽 별이 유발한 운동 때문이라고 설명한다.

2020년 첫 관측에서 삼중성계 해명까지

중국의 500미터 구경 구면 전파망원경(FAST)은 2020년 6월 8일 동시 전파천문 FAST 탐사 관측 중 J0435+3233을 처음 발견했다. 후속 관측을 통해 펄서에 가까운 동반성이 있으며, 타이밍 특성을 더 면밀히 설명할 필요가 있다는 사실이 확인됐다.

연구는 수년에 걸쳐 진행됐다. 연구팀들은 전파 관측과 공개 천문학 자료를 활용해 펄서를 다른 파장대에서 보이는 천체와 연결했다.

• 2020년 6월 8일: FAST가 PSR J0435+3233을 처음 발견했다.
• 약 5년 동안: FAST가 관측 세션 179회에 걸쳐 펄스 도착 시각 192건을 측정했다.
• 2026년 4월: 안쪽 쌍성과 이례적인 타이밍을 확인한 연구 결과가 《네이처 천문학》에 게재됐다.
• 2026년 10월 9일: 국가천문대가 《천체물리학 저널 레터스》에 게재된 삼중성계 연구 결과를 발표했다.

관측 세션 179회와 측정값 192건의 차이는 연구 논문이 자료를 설명하는 방식에서 비롯된 것으로, 같은 자료를 두고 서로 다른 수치를 제시한 것은 아니다. 전파 타이밍 분석의 관측 기간은 약 4.9년이다.

중국 연구에는 양종린, 진한진과 여러 기관의 동료들이 참여했다. 독일, 네덜란드, 프랑스, 영국의 과학자들로 구성된 유럽 연구팀도 독립적으로 세 번째 별에 관한 같은 기본 결론에 도달했다.

서로 크게 다른 두 궤도

J0435+3233은 계층적 삼중성계다. 두 천체가 비교적 가까운 쌍을 이루고, 세 번째 천체가 그 쌍에서 훨씬 멀리 떨어져 공전하는 구조를 뜻한다. 이 계에서 안쪽 천체는 무거운 별이 붕괴해 남은 중성자별인 펄서와, 질량이 더 작은 별이 남긴 조밀한 잔해인 헬륨 백색왜성이다.

펄서는 3.20밀리초마다 한 번씩 자전한다. 안쪽 궤도의 주기는 8.0일이며, 이심률은 0.00016으로 거의 원형이다. 이심률은 궤도가 얼마나 길쭉한지를 나타낸다. 0이면 원이며, 1에 가까울수록 더 길게 늘어난 궤도다.

바깥쪽 별의 궤도는 크게 다르다. 이심률은 0.598이며, 국가천문대 발표에서는 반올림해 0.6으로 표기했다. 공전 주기는 73.5년이다. 보고된 두 공전 주기를 비교하면 바깥쪽 별이 한 바퀴 도는 동안 안쪽 쌍성은 약 3,350바퀴를 돈다.

두 궤도면도 서로 기울어져 있다. 분석 결과 상대 경사각은 약 85도 또는 약 54도인 두 가지 기하 구조가 가능하다. 첫 번째 경우 두 궤도는 거의 직각을 이룬다. 연구진은 세 천체 사이에 지속적인 중력 상호작용이 있더라도 서로 멀리 떨어진 이 배치가 장기간 안정적으로 유지될 수 있다고 본다.

겉보기 감속이 오해를 부른 이유

펄서는 자전하면서 지구를 향해 빔을 쏘고, 이 빔이 지구를 지날 때 일정한 간격의 펄스가 관측된다. 천문학자들은 펄스 도착 시각을 측정해 펄서의 자전과 운동을 추적한다. 펄스 간격의 변화는 별의 실제 자전 변화일 수도 있지만, 펄서가 지구를 향하거나 지구에서 멀어지는 방향으로 가속하는 데 따른 결과일 수도 있다.

이 계에서는 세 천체가 공통 질량중심 주위를 움직이는 동안 멀리 떨어진 별이 안쪽 쌍성을 끌어당긴다. 이 운동이 관측되는 펄스 간격을 바꾼다. 같은 가속도는 안쪽 궤도의 겉보기 타이밍에도 영향을 줄 것으로 예상된다.

연구진은 펄서의 자전 주파수와 안쪽 쌍성의 공전 주파수에서 나타난 상대 변화가 약 99% 일치한다는 사실을 확인했다. 이처럼 높은 일치도는 회전 에너지가 이례적으로 빠르게 줄어든 결과라기보다 공통된 중력 작용이 원인이라는 해석을 뒷받침한다.

이전에는 겉보기 감속을 강한 자기장이나 특이한 형성 경로의 증거로 해석하기도 했다. 삼중성계 분석은 이 관측만으로 알 수 있는 내용에 한계가 있음을 보여준다. 논문은 펄서 자체의 감속 효과가 바깥쪽 궤도 운동과 뒤섞여 있어 직접 측정할 수 없다고 밝힌다. 따라서 측정된 연간 1나노초의 주기 증가는 그 정도 규모의 고유 감속이 입증됐다는 뜻이 아니다.

눈에 보이는 동반성과 드문 감마선

연구팀은 FAST 관측을 가이아, 팬스타스, 2MASS의 광학·적외선 자료, 페르미 감마선 우주망원경 관측 자료와 결합했다. 이 측정 자료를 통해 연구진은 보이지 않는 전파 시계인 펄서를 눈에 보이는 별 동반성 및 감마선 방출원과 연결할 수 있었다.

광학 대응 천체는 Gaia DR3 171833395176138240이다. 이 천체의 위치와 하늘을 가로지르는 움직임은 펄서의 측정 위치 및 운동과 일치한다. 가이아의 시차 측정으로 추정한 계까지의 거리는 약 2.1킬로파섹이며, 오차는 0.4킬로파섹이다. 이는 약 6,850광년에 해당한다.

이 별의 추정 온도는 5,854켈빈이며, 광도는 태양의 약 2.1배다. 항성 특성에 근거한 질량 추정치는 태양 질량의 0.98배이며, 오차는 0.12배다. 이 측정치는 질량과 온도가 태양과 비슷하지만 진화 단계는 더 앞서 나간 동반성이라는 판단을 뒷받침한다.

페르미 목록의 천체 4FGL J0435.5+3232는 펄서에서 불과 0.8각분 떨어져 있다. 연구진은 FAST 타이밍 모형을 이용해 광자에 자전 위상을 부여하고 감마선 펄스의 존재를 확인했다. 쉽게 말해, 드물게 포착된 고에너지 신호가 펄서의 반복적인 자전 주기와 맞아떨어지는지 검증했다.

국가천문대 발표에 따르면 페르미의 18년치 보관 관측 자료에는 분석에 쓸 수 있는 광자가 160개 있었으며, 한 달에 약 한 개꼴로 검출된 셈이다. 논문은 공동 분석에 사용한 감마선 타이밍 구간을 16.7년으로 명시했다. 두 수치는 각각 보관 자료의 전체 관측 기간과 실제 타이밍 분석 구간을 가리킨다. 회전 모형이 충분히 정확하다면 이렇게 드문 검출만으로도 전파 관측보다 훨씬 긴 시간 범위를 확보할 수 있다.

정밀한 측정으로도 두 가지 궤도 구조가 가능

중국 연구팀의 삼중성계 논문은 전파와 감마선 타이밍, 안쪽 궤도의 변화, 가이아 측정값, 바깥쪽 별에 대한 제약을 결합했다. 동반성의 중력장을 지나는 빛에 추가 이동 시간이 발생하는 샤피로 지연도 분석에 포함했다.

국가천문대는 중국 연구팀이 독립적인 유럽 연구팀보다 약 10배 정밀하게 궤도 매개변수를 측정했다고 밝혔다. 세 별 사이의 중력 상호작용과 여러 상대론적 효과를 모형화한 것이 정밀도 향상에 기여했다고 설명했다. 두 팀의 결과가 일치해 계의 확인을 뒷받침하지만, 여전히 두 가지 기하 구조가 가능하다는 점은 전체 구조가 아직 하나로 확정되지 않았음을 보여준다.

상대 경사각이 약 85도인 구조에서 추정한 질량은 다음과 같다.

• 펄서: 태양 질량의 1.16배, 오차 0.05배.
• 안쪽 백색왜성: 태양 질량의 0.273배, 오차 0.008배.
• 바깥쪽 별: 태양 질량의 0.91배, 오차 0.05배.

경사각이 약 54도인 대안적 구조에서 추정한 펄서, 백색왜성, 바깥쪽 별의 질량은 각각 태양 질량의 1.34배, 0.305배, 1.13배다. 오차는 차례로 0.15배, 0.023배, 0.07배다. 이는 서로 다른 모형에 따른 대안적 해이며, 별의 질량이 변했다는 증거가 아니다.

함께 태어난 별들, 쉽지 않았던 생존

연구진은 세 별이 같은 성운에서 함께 태어났다는 기원을 유력하게 본다. 이 계는 밀도가 높은 성단이 아니라 은하 원반의 일반적인 영역에 있다. 따라서 나중에 가까운 조우를 거쳐 조립됐다는 설명은 상대적으로 설득력이 낮다. 원시 삼중성계라는 해석은 직접 관측된 사건이 아니라 항성 진화에 근거한 추론이다.

연구진이 제시한 진화 경로에서는 원래 가장 무거웠던 별의 질량이 태양의 약 20배였다. 이 별은 연료를 빠르게 소진한 뒤 폭발했고, 현재 펄서로 관측되는 중성자별을 남겼다. 안쪽 백색왜성의 전신 별은 태양보다 몇 배 무거운 질량으로 태어났다. 처음에 태양 질량 정도였던 바깥쪽 별은 더 천천히 진화했다.

중성자별이 태어날 때 이 계가 살아남으리라는 보장은 없었다. 초신성 폭발은 계의 질량을 줄이고, 새로 태어난 중성자별에 속도 충격을 가할 수 있다. 두 효과 모두 다중성계를 흩어지게 할 수 있다. 진화 분석에 따르면 속도 충격이 전혀 없다고 가정해도 계가 중력적으로 묶인 상태를 유지할 가능성은 약 35%에 불과하다. 이는 생존 조건이 얼마나 까다로웠는지를 보여준다.

바깥쪽 별은 가까운 쌍성의 진화에서 멀리 떨어져 있었지만, 초신성 폭발로 중력 균형이 바뀌면 거리만으로 생존이 보장되지는 않는다. 따라서 현재의 배치는 세 별이 함께 태어났을 가능성과 파괴적인 항성의 죽음을 무사히 견뎌냈다는 사실을 함께 보여준다.

예측되는 최종 상태는 이보다 덜 극적이다. 양종린과 공동 저자들은 논문 초록에서 계의 미래를 다음과 같이 설명한다.

궁극적으로 중성자별 하나와 백색왜성 두 개로 이루어진 계로 진화할 것이다.

그 변화가 언제 일어날지는 제시되지 않았다. 이는 항성 진화 시간 규모에 따른 예측이지, 현재 진행 중인 관측 기간에 일어날 사건은 아니다.

이 계가 중력 연구에 제공할 단서

별 동반성 두 개를 거느린 펄서는 내부 구조가 크게 다른 천체들에 중력이 어떻게 작용하는지 측정할 기회를 제공한다. 중성자별은 큰 질량을 극도로 작은 부피에 담고 있는 반면, 백색왜성과 준거성은 훨씬 덜 조밀하다.

국가천문대는 이 계를 강한 등가원리를 검증할 잠재적 연구실로 소개했다. 쉽게 말해 이 원리는 자체 중력 결합의 차이가 큰 천체들도 외부 중력장에서 같은 방식으로 낙하하는지를 묻는다. 바깥쪽 동반성은 안쪽 쌍성에 그런 외부 중력장을 제공한다.

펄스를 반복해서 측정하면 예측된 운동과 실제 관측된 운동 사이의 미세한 차이를 찾는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 이번 발견은 새로운 검증 결과를 발표한 것도, 일반상대성이론에 반하는 증거를 제시한 것도 아니다. 향후 검증에 활용할 수 있는 측정 가능한 상호작용이 존재하는 계를 확인한 것이다.

희귀하다는 주장에도 범위가 있다. J0435+3233은 별 동반성 두 개를 가진 것으로 확인된 두 번째 펄서 삼중성계로 소개됐다. 행성을 거느린 펄서계나 질량이 매우 작은 바깥쪽 천체를 가진 계는 다른 범주다. 앞서 알려진 별 동반성 사례인 J0337+1715는 이미 중력 검증에 활용된 바 있으며, 진화 중인 준거성을 포함한 J0435+3233은 대조적인 사례가 된다.

아직 풀리지 않은 문제

연구진이 관측한 바깥쪽 궤도는 73.5년 중 일부에 불과하다. 감마선 타이밍 구간은 공전 주기의 약 23%, 전파 타이밍 구간은 약 7%에 해당한다. 이 비율은 장기간의 보관 관측 자료가 중요한 이유와 관측을 계속해야 하는 이유를 보여준다.

가이아 측정과 펄서 타이밍 분석에 따르면 하늘에 투영된 두 천체 사이의 거리는 약 11,000광초이며, 오차는 2,000광초다. 두 천체의 상대 운동을 보면 하늘에서 투영된 이 거리는 줄어드는 것으로 보인다. 이는 투영된 측정값이지, 별과 안쪽 쌍성 사이의 전체 거리와는 다르다.

논문은 궤도 운동이 가이아의 시차 측정에 체계적 오차를 일으킬 수 있다고도 경고한다. 바깥쪽 궤도를 명시적으로 반영한 장기 관측은 거리 추정치를 개선하고 두 가지 가능한 궤도 구조를 구별하는 데 도움이 될 수 있다.

두 가능성을 가려낼 시한이나 새로운 중력 검증 계획은 발표되지 않았다. 확인된 것은 빠르게 자전하는 중성자별, 가까운 헬륨 백색왜성, 그리고 수수께끼 같던 타이밍 변화를 설명하는 멀리 떨어진 준거성으로 이루어진 희귀한 구조다.

핵심 내용

• FAST는 2020년 6월 8일 PSR J0435+3233을 발견했으며, 삼중성계 연구 결과는 2026년 10월 9일 발표됐다.
• 펄서는 3.2밀리초마다 한 번 자전하며, 거의 원형인 8일 주기로 백색왜성과 공전한다.
• 태양과 질량이 비슷한 준거성이 길쭉한 73.5년 주기의 바깥쪽 궤도를 돈다.
• 바깥쪽 동반성이 펄스 간격에서 관측된 이례적으로 큰 변화를 설명하며, 펄서 자체의 감속은 직접 측정되지 않았다.
• 중국과 유럽 연구팀이 각각 삼중성계를 확인했지만, 두 가지 궤도 구조가 여전히 가능하다.
• 이 계는 향후 중력 검증에 활용될 후보이며, 궁극적으로 중성자별 하나와 백색왜성 두 개로 이루어진 계가 될 것으로 예측된다.