마그네타(magnetar)_매우 강력한 자기장을 가진 별

마그네타는 지구나 인간이 개발한 어떤 자석보다 수조 배나 더 많은 자기력을 가진, 우주에서 가장 기이하고 신비로운 물체 중 하나입니다. 과학자들은 아직도 이 물체들이 정확히 어떻게 형성되는지 명확하게 밝히지 못하고 있습니다. 하지만 2023년 8월 17일 사이언스 지에 발표된 한 연구에 따르면, 3,000광년 떨어진 곳에 헬륨이 풍부한 독특한 별이 해답을 가지고 있을지도 모른다고 합니다.

 

1. 마그네타(magnetar)란?

마그네타는 매우 강력한 자기장을 가지고 있는 중성자별의 유형입니다. 마그네타는 직경이 약 20km, 질량은 태양보다 큽니다. 마그네타는 다른 중성자별처럼 강력한 자기장을 가지고 있으나 회전이 느려지고 있는지에 따라 구별됩니다. 대부분의 마그네타는 10초에 정확히 한 번 회전하며, 이 자기장은 매우 강력한 특유의 X-선과 감마선의 폭발을 일으킵니다. 마그네타의 강력한 자기장은 약 10,000년 정도 지속되다 붕괴하는데, 붕괴 후에는 모든 활동이 중단됩니다. 우리은하에 있는 비활동적인 마그네타의 수를 3,000만개 이상으로 추정합니다. 마그네타의 표면에서 발생하는 성진(Starquake)은 자기장을 불안정하게 만들고, 종종 매우 강력한 감마선 방출로 이어지기도 합니다.

2. 마그네타의 탄생

헬륨이 풍부한 독특한 별의 특징은 전통적인 모델로 설명될 수 없으나 자기장으로 설명될 수 있다고 합니다. 실제로 자기장이 너무 강해서 지금까지 발견된 것 중 가장 거대한 장기장이라고 여겨집니다. 이는 '거대한 자기 헬륨별'이라는 새로운 정의를 내리기도 했습니다. 과학자들은 이 별이 언젠가 초신성 폭발로 붕괴할 것이라고 추측합니다. 그리고 그 폭발의 결과는 현재의 별보다 수십억 배나 더 강한 자력을 가진 죽은 별인 마그네타의 탄생으로 예측합니다. 이는 적어도 마그네타가 어떻게 형성되는지에 대한 질문에 하나의 답을 제공합니다. 연구자들은 다른 방법들이 있을 수 있다고 지적하지만, 수십 년 동안 과학자들을 혼란스럽게 했던 마그네타의 신비를 푸는 데 있어 엄청난 발전입니다.

3. 자기별(a magnetic star)의 신비

이 연구의 중심에 있는 거대한 자기 헬륨별은 HD 45166이라고 불리는 2성 계의 일부입니다. 이 별은 매우 무거운 별들이 중성자별이나 블랙홀로 붕괴하기 전에 거치는 단계인 울프-레이엣 별처럼 보입니다. 하지만 이 별은 전형적인 울프-레이엣보다 질량이 훨씬 적었습니다. 이 별은 기존의 모델과 이론을 거스르는 대상으로 여겨졌으나 이 별이 울프-레이에처럼 보이지만 질량이 훨씬 적은 이유를 자기장으로 설명할 수 있었습니다. 이 별은 43,000가우스의 자기장을 가지고 있는 것으로 밝혀졌기 때문입니다. 참고로 지구에는 약 0.5가우스 크기의 자기장이 있습니다. 과학자들은 이 별의 자기장이 다른 별과 합쳐지면서 생긴 것이라고 추측합니다. 연구에 따르면 2성 계는 3개의 별을 포함했으며, 하나의 별이 동반성 중 하나를 삼켜 고도의 자기 코어를 형성했습니다.

4. 초신성에서 마그네타로

과학자들은 이 거대한 자기 헬륨 별이 붕괴하고 폭발해 초신성이 될 것으로 추정하고 있습니다. 그 폭발은 별의 중심에 있는 양성자와 전자가 붕괴하여 중성자를 형성할 때 발생하는 중성자별을 생성할 것입니다. 즉, 한때 거대하고 밝게 타던 별의 죽은 잔해입니다. 과학자들은 중성자별의 약 10퍼센트가 마그네타라는 사실을 이미 알고 있었습니다. 그러나 그들은 이전에 중성자별을 만드는 데 무엇이 들어갔는지 알지 못했습니다. 그리고 그 답은 다른 별과 합쳐져서 극도로 자성을 띠는 중심핵을 형성하는 별은 나중에 마그네타의 모든 성질을 가진 중성자별로 붕괴할 수 있다는 것입니다. 울프-레이에 별들이 마그네타의 조상일 수 있다는 것을 보여주는 다른 연구 일부와 일치하였습니다.

5. 마그네타의 과제

이 거대한 자기 헬륨별은 붕괴하기까지 아직 약 100만 년이 남았기 때문에 연구자들은 자기별의 형성을 실제로 관찰할 수는 없습니다. 현재의 천문학 도구들은 천문학자들에게 매일 밤 수백, 수천 개의 초신성을 관측할 수 있도록 해주고 있습니다. 하지만 이러한 폭발들은 너무나 멀리서 일어나고 있으며 심지어 수십억 광년이나 되는 먼 거리에서도 일어나고 있기 때문에 그 초신성들이 무엇을 남기고 있는지 정확하게 결정하기는 너무 어렵습니다. 그래서 가장 이상적인 방법은 우리 은하계 내에서 마그네타의 형성을 관찰하는 것이라고 합니다. 하지만 평균적으로 100년에 한 번 정도 집 근처에 초신성 하나가 있습니다. 그리고 마그네타인 중성자별이 될 확률은 10퍼센트밖에 되지 않는다고 합니다.

그런데도 마그네타를 연구하는 것은 극단적인 자기장 아래에서 물질의 행동에 대한 통찰력을 제공하고 중성자별의 기본적인 특성, 진화, 심지어 잠재적인 중력파 소스를 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 마그네타는 여전히 해결되기를 기다리는 우주의 미스터리 중 하나입니다.