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마그네타

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목차

1. 개요

마그네타는 극도로 강력한 자기장을 가진 중성자별의 일종이다. 1979년 감마선 폭발 관측을 통해 처음 발견되었으며, 이는 이전에 알려진 어떤 폭발보다 100배 이상 강렬했다. 마그네타는 다른 중성자별보다 자전 속도가 느리고, 강한 자기장으로 인해 자기장이 약해지면서 별 지진을 일으키기도 한다. 이러한 별 지진은 X선이나 감마선 폭발을 발생시키며, 이를 연성 감마선 반복자라고 부른다. 마그네타는 초신성 잔해에서 생성되며, 현재까지 24개가 알려져 있다.

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마그네타
개요
종류중성자별
정의강력한 자기장을 가진 중성자별
상세 정보
자기장 세기10^8 ~ 10^11 테슬라
특징X선과 감마선 방출
이론적 배경로버트 던컨
크리스토퍼 톰슨
연구빅토리아 카스피
안드레이 벨로보로도프
관련 현상
연관 현상빠른 전파 폭발
초신성

2. 역사

마그네타는 1979년 3월 5일 소련의 베네라 11호와 베네라 12호가 감마선 폭발을 감지하면서 처음 알려졌다.[14] 이후 여러 관측을 통해 마그네타의 특징적인 현상들이 밝혀졌다.


  • 1979년의 발견: 베네라 11호와 베네라 12호가 감지한 감마선 폭발 (GRB 790305b)
  • 최근 발견: 2008년 이후 마그네타와 관련된 다양한 발견 사례 (예: SGR 1935+2154와 급속 전파 폭발(FRB)의 연관성)


2008년 9월 24일, 유럽 남방 천문대(ESO)는 초대형 망원경을 사용하여 최초의 광학 활성 마그네타 후보(SWIFT J195509+261406)를 발견했다고 발표했다.[23] 2014년 9월 1일, 유럽 우주국(ESA)은 초신성 잔해 케스테벤 79 근처에서 마그네타(3XMM J185246.6+003317)를 발견했다고 발표했다.[24] 이 마그네타는 2008년과 2009년에 촬영된 이미지를 통해 2013년에 발견되었다. 2018년에는 두 중성자별 병합의 결과로 과질량 마그네타가 생성되었다가 곧 블랙홀로 붕괴되었다는 사실이 밝혀졌다.[25]

2. 1. 1979년의 발견

1979년 3월 5일, 동부 표준시(EST)로 약 10시 51분에 소련의 무인 우주 탐사선 베네라 11호와 베네라 12호가 감마선 폭발에 타격을 받았다. 이로 인해 두 탐사선의 방사선 수치는 초당 정상 100 카운트에서 불과 수 밀리초 만에 초당 200,000 카운트 이상으로 급증했다.[14] 11초 후, 태양 주위를 공전하는 NASA 탐사선 헬리오스 2호가 방사선 폭발에 포화되었다. 곧 파이오니어 비너스 오비터의 감지기가 파도에 압도된 금성에 도달했다. 그 직후 감마선은 미국 국방부 소속 벨라 위성 3기, 소련의 프로그노즈 7호 위성, 그리고 아인슈타인 관측소를 덮쳤으며, 이들은 모두 지구 궤도를 돌고 있었다. 태양계를 벗어나기 전, 방사선은 헤일로 궤도에 있는 국제 혜성 탐사선에 의해 감지되었다.[14]

이 감마선 폭발은 이전에 알려진 어떤 폭발보다 100배 이상 강렬했으며, 관측된 가장 강력한 태양 외부 감마선 파동이었다.[20] 감마선은 광속으로 이동하기 때문에, 지구 상에서 뿐만 아니라, 조금 떨어진 우주선에서도 펄스를 기록했는데, 2각초의 오차로 계산됐다.[63][57] 근원의 방향은 약 기원전 3000년경에 초신성 폭발한 별의 잔해와 일치했다.[12] 이 근원은 대마젤란 은하에 위치했으며, SGR 0525-66으로 명명되었고, 이 사건 자체는 최초로 관측된 SGR 메가플레어인 GRB 790305b로 명명되었다.

2. 2. 최근 발견



2008년 2월 21일, 미국 항공우주국(NASA)와 맥길 대학교 연구진은 자기장 별처럼 자기적으로 구동되는 폭발을 방출하는 라디오 펄서의 특성을 가진 중성자별을 발견했다고 발표했다. 이는 마그네타가 단순히 희귀한 유형의 펄서가 아니라 일부 펄서의 생애에서 (어쩌면 가역적인) 단계일 수 있음을 시사한다.[22]

2013년, 궁수자리 A* 시스템의 블랙홀을 공전하는 마그네타 PSR J1745−2900이 발견되었다. 이 물체는 은하 중심으로 향하는 이온화된 성간 매질을 연구하는 데 유용한 도구를 제공한다.

2020년 4월, 우리 은하에 위치한 마그네타로 추정되는 SGR 1935+2154의 관찰을 바탕으로 급속 전파 폭발(FRB)과 마그네타 사이의 가능한 연관성이 제시되었다.[26][27][28][29][30]

3. 특징

마그네타는 지름이 약 20km 정도인 중성자별의 일종으로, 태양보다 큰 질량을 가진다. 마그네타 내부 밀도는 매우 높아, 골무 크기 정도의 물질이 1억 톤이 넘는 질량을 가질 정도이다.[49][2]

다른 중성자별에 비해 회전 속도가 느린데, 대부분 2~10초에 한 번 회전한다.[6] 이는 일반적인 펄서가 1초에 1~10번 회전하는 것과 비교된다.[7] 마그네타의 느린 회전 속도는 강력한 자기장 때문이며, 이 자기장은 X선 및 감마선 폭발을 일으킨다.

마그네타의 활동 수명은 약 10,000년 정도로 짧다. 이후 자기장이 붕괴되고, 활동과 강한 X선 방출이 중단된다. 우리 은하수에는 3천만 개 이상의 비활동성 마그네타가 존재할 것으로 추정된다.[54][6]

마그네타 표면에서 발생하는 별 지진은 자기장을 불안정하게 만들어 강력한 감마선 폭발을 일으키기도 한다. 1979년, 1998년, 2004년에 이러한 감마선 폭발이 기록되었다.[57][12]

중성자별의 종류 (2020년 6월 24일)

3. 1. 자기장

마그네타는 10GT에서 1000GT에 이르는 극도로 강력한 자기장을 가지고 있다.[31] 이는 우주에서 발견된 천체 중 가장 강력한 수준이다.[57][58] 이 자기장은 지구 자기장보다 약 1조 배 더 강력하며,[9] 사람이 만든 가장 강력한 자석인 네오디뮴 자석보다도 1억 배 이상 강하다.[8]

이러한 강력한 자기장으로 인해 마그네타에서는 특이한 현상들이 발생한다. 예를 들어, 10GT의 자기장에서는 수소 원자가 정상 직경보다 200배 더 좁은 막대 모양으로 변형된다.[14] 또한, X선 광자가 쉽게 분열되거나 합쳐지고, 진공 자체가 편극되어 복굴절 현상을 보이는 등 일반적인 물리 법칙이 적용되지 않는 현상들이 나타난다.[14]

마그네타의 자기장은 1000km 거리에서도 생명체에게 치명적일 수 있는데, 이는 자기장이 세포 조직을 구성하는 원자들의 전자 구름을 왜곡시켜 생명 유지에 필요한 화학 반응을 불가능하게 만들기 때문이다.[10] 지구와 달 사이 거리의 절반 정도에 마그네타가 있다면 지구 상의 모든 신용 카드의 정보가 지워질 수도 있다.[11]

마그네타의 강력한 자기장은 별 지진을 일으켜 감마선 폭발을 유발하기도 한다. 1979년, 1998년, 2004년에 지구에서 이러한 감마선 폭발이 기록된 바 있다.[12]

3. 1. 1. 자기장의 근원

마그네타의 강한 자기장 형성에 대한 지배적인 모델은 중성자별이 평형 상태로 정착하기 전에 존재하는 난류, 극도로 밀도가 높은 전도성 유체 내의 자기유체역학 다이너모 과정의 결과라는 것이다.[15] 이러한 자기장은 중성자별 내부의 중간 깊이(중성자가 질량으로 우세한 곳)에서 존재하는 양성자-초전도체 상의 지속적인 전류로 인해 유지된다. 유사한 자기유체역학 다이너모 과정은 한 쌍의 중성자별 합병 동안 훨씬 더 강렬한 일시적인 자기장을 생성한다.[16] 또 다른 모델은 단순히 유난히 강한 자기장을 가진 별의 붕괴로 인해 발생한다는 것이다.[17]

초신성에서 별이 중성자별로 붕괴하면서 자기 선속 보존을 통해 자기장의 세기가 극적으로 증가한다. 선형 치수를 절반으로 줄이면 자기장 세기가 4배 증가한다. 던컨과 톰슨은 새로 형성된 중성자별의 스핀, 온도 및 자기장이 적절한 범위에 속할 때, 다이나모 메커니즘이 작용하여 열과 회전 에너지를 자기 에너지로 변환하고, 이미 엄청난 에서 100G 이상으로 자기장을 증가시킬 수 있다고 계산했다. 그 결과가 ''마그네타''이다.[18] 약 10번의 초신성 폭발 중 한 번 꼴로 더 일반적인 중성자별이나 펄서가 아닌 마그네타가 생성되는 것으로 추정된다.[19]

항성이 초신성이 되기 전에 이미 빠른 자전 속도와 강한 자기장을 가지고 있었을 경우 마그네타가 만들어진다. 마그네타의 자기장은, 중성자별의 수명 동안 처음 약 10초 동안, 중성자별 내부에서 핵물질이 대류 구동된 다이나모 효과를 일으킴으로써 생성된다고 생각된다. 중성자별이 처음 대류 속도와 비슷한 속도(약 10밀리초 정도)로 자전하면 대류가 별 전체에서 일어나고, 그 운동 에너지의 대부분이 자기장의 세기로 변환된다. 반면, 자전이 느린 중성자별에서는 대류가 국소적인 영역에서만 발생한다.

3. 2. 별 지진

마그네타 표면에서 발생하는 별 지진은 자기장을 불안정하게 만들고, 종종 매우 강력한 감마선 방출로 이어진다. 1979년, 1998년, 2004년에 이러한 현상이 지구에서 기록되었다.[57][12]

마그네타는 무거운 원소(주로 철)의 플라즈마로 이루어진 외층에서 인장력이 강해져 별 지진을 일으키는 경우가 있다. 이 진동은 매우 에너지가 크며, X선이나 감마선 폭발을 일으킨다.[46] 이러한 상태의 천체를 천문학에서는 연성 감마선 반복자(SGR)라고 부른다.

별 지진이 일어나면 에너지와 물질이 대규모로 방출된다. 물질은 강한 자기장에 묶여 몇 분 동안 흩어진다. 반경 방향으로 물질이 방출되면 각운동량이 손실되어 별의 자전이 감속된다. 마그네타는 강한 자기장 때문에 다른 중성자별보다 빠르게 자전 속도가 느려진다. 자전이 느려지면 자기장이 약해지고, 불과 1만 년 후에는 별 지진이 일어나지 않는다. 이후에도 중성자별은 X선을 방출하며, 연구자들은 이 단계의 별을 이상 X선 펄서(AXP)라고 추측한다. 1만 년 정도 지나면 활동이 완전히 멈춘다.

연성 감마선 반복자의 별 지진은 매우 대규모이며, 2004년 12월 27일 SGR 1806-20에서 발생한 것과 같이 직접 관측된 사례도 있다. 앞으로 망원경이 늘어나면 더 많은 예가 관측될 것으로 기대된다.

4. 형성

초신성이 중성자별로 붕괴할 때, 자기 선속 보존을 통해 자기장의 세기가 극적으로 증가한다. 선형 치수를 절반으로 줄이면 자기장 세기가 4배 증가한다. 던컨과 톰슨은 새로 형성된 중성자별의 스핀, 온도 및 자기장이 적절한 범위에 속할 때, 다이나모 메커니즘이 작용하여 열과 회전 에너지를 자기 에너지로 변환하고, 이미 엄청난 108 테슬라에서 1011 테슬라 (또는 1015 가우스) 이상으로 자기장을 증가시킬 수 있다고 계산했다. 그 결과가 ''마그네타''이다.[18] 약 10번의 초신성 폭발 중 한 번 꼴로 더 일반적인 중성자별이나 펄서가 아닌 마그네타가 생성되는 것으로 추정된다.[19]

항성이 초신성이 되기 전에 이미 빠른 자전 속도와 강한 자기장을 가지고 있었을 경우 마그네타가 만들어진다. 마그네타의 자기장은, 중성자별의 수명 동안 처음 약 10초 동안, 중성자별 내부에서 핵물질이 대류 구동된 다이나모 효과를 일으킴으로써 생성된다고 생각된다. 중성자별이 처음 대류 속도와 비슷한 속도(약 10밀리초 정도)로 자전하면 대류가 별 전체에서 일어나고, 그 운동 에너지의 대부분이 자기장의 세기로 변환된다. 반면, 자전이 느린 중성자별에서는 대류가 국소적인 영역에서만 발생한다.

5. 알려진 마그네타

현재 24개의 마그네타가 알려져 있으며, 6개의 후보가 확인을 기다리고 있다.[31] 전체 목록은 맥길 대학교 SGR/AXP 온라인 카탈로그에서 제공된다.[31]

알려진 마그네타 중 특기할 만한 사례는 다음과 같다:


  • SGR 0525−66: 대마젤란 은하에 위치하며, 지구로부터 약 163,000광년 떨어져 있으며, 최초로 발견되었다(1979년).
  • SGR 0501+4516: 2008년 8월 22일에 발견되었다.[33]
  • SWIFT J195509+261406: 유럽 남방 천문대(ESO)는 처음에 감마선 폭발(GRB 070610)에 의해 확인된 마그네타로 보고했다.[23]
  • SWIFT J1822.3-1606: 2011년 7월 14일 스페인 국립 연구 위원회(CSIC)의 마드리드와 카탈루냐 연구원에 의해 발견되었다. 이 마그네타는 예상과 달리 외부 자기장이 낮으며, 50만 년밖에 안 된 젊은 천체일 수 있다.[37]
  • 3XMM J185246.6+003317: ESA의 XMM-뉴턴 X선 망원경의 데이터를 분석한 국제 천문학자 팀에 의해 발견되었다.[38]


마그네타—SGR J1745-2900



5. 1. 주요 마그네타


  • SGR 1806-20: 지구로부터 50,000광년 떨어져 있고 궁수자리의 은하수 바깥쪽에 위치해 있으며, 알려진 것 중 가장 강력한 자기장을 가진 천체이다.[31]
  • SGR 1900+14: 지구로부터 20,000광년 떨어져 있고 독수리자리에 위치해 있다. 1998년 폭발로 인해 주위에 물질 고리가 형성되었다.[32]
  • 1E 1048.1-5937: 지구로부터 9,000광년 떨어져 있고 용골자리에 위치해 있다. 마그네타가 되기 전의 원래 별은 태양질량의 30 ~ 40배였다.
  • CXO J164710.2-455216: 거대한 은하 성단인 웨스터룬드 1에 위치해 있다.[65] 40 태양 질량 이상의 별에서 형성되었다.[34][35][36]
  • SGR 1935+2154: 2020년에 급속 전파 폭발(FRB)을 방출하여 주목받았다.[26][27][28][29][30]
  • Swift J1818.0-1607: 2020년에 발견되었으며, 전파 펄서이기도 한 5개의 마그네타 중 하나이다.[39][40]

6. 초신성

매우 밝은 초신성은 쌍불안정성 초신성(또는 맥동 쌍불안정성 초신성)으로 매우 큰 별의 죽음으로 인해 발생한다고 생각된다. 그러나 천문학자들의 최근 연구[41][42]에 따르면 새롭게 형성된 마그네타로부터 초신성 잔해 주변으로 방출되는 에너지가 SN 2005ap 및 SN 2008es와 같은 일부 가장 밝은 초신성의 원인일 수 있다고 추정했다.[43][44][45]

참조

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[65] 웹사이트 Westerlund 1: Neutron Star Discovered Where a Black Hole Was Expected http://chandra.harva[...]


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