마그네타(Magnetar)의 생성에 대한 수수께끼가 풀린걸까?

 

Credit: ESO/L. Calcada

 

그림1> 이 그림은 웨스터룬드 1(Westerlund 1) 성단에 존재하는 마그네타를 그린 상상화이다.
이 인상적인 성단은 수백여개의 무거운 별들이 포함되어 있는데, 몇몇 별들의 밝기는 태양의 백만 배에 달한다.

유럽의 천문학자들이 사상처음으로 극강의 자기장을 가진 특이한 유형의 중성자별인 마그네타가 이중성계의 일원으로서 형성된다는 점을 보여주었다.

성단 내 다른 곳에서 마그네타의 원래 동반성인 별을 발견함으로써, 어떻게 엄청난 질량으로 시작된 별이 블랙홀로 붕괴되는 대신 마그네타가 될 수 있었는지를 알 수 있게 해 준 것이다.

 

마그네타(Magnetar)의 생성에 대한 수수께끼가 풀린걸까?

 

마그네타란 초신성 폭발후 남겨진 초고밀도의 특이한 잔해를 말한다.

이들은 우주에서 발견된 물질 중 가장 강력한 자력을 띠는 물체로서 자력의 강도는 지구에서 발견되는 물질의 수백만배에 달한다.

유럽의 천문학 연구팀이 ESO의 VLT를 활용하여 사상 최초로 마그네타의 동반성을 발견한 것으로 보인다.

이번 발견은 지난 35년동안 수수께끼로 남아있던 마그네타의 형성과, 왜 이 특이한 별이 천문학자들의 예견과 다르게 블랙홀로 붕괴되지 않는지를 설명해 줄 수 있을 것으로 보인다.
 

거대한 질량을 가진 별이 초신성 폭발을 일으키는 동안 자신의 중력에 의해 붕괴되면서 중성자 별이나 블랙홀을 형성하게 된다.

 

마그네타는 대단히 괴상하며 이질적인 중성자 별의 한 유형이다.

다른 모든 괴상한 천체들과 마찬가지로 마그네타는 매우 작으면서도 비정상적인 밀도를 가지고 있다. - 한 티스푼 분량의 중성자 별의 질량은 십억톤에 달한다. 그런데 이 천체들은 또한 극도로 강력한 자기장을 가지고 있기도 하다.

 

마그네타의 표면에서는 지각 상에 거대한 압력이 가해진 결과로 별지진(starquake)이라고 알려진 갑작스러운 조정과정이 수행되는 동안 방대한 양의 감마선이 방출된다.

 

남반구의 제단자리, 16,000광년 거리에 위치하는 웨스터룬드 1 성단[1]은 우리 은하에서 그 존재가 알려진 24개 마그네타 중 하나를 품고 있는 성단이다.
CXOU J164710.2-455216 라고 불리는 이 천체는 천문학자들에게는 수수께끼의 천체이다.

 

Credit: ESO

 

사진1> 웨스터룬드 1 성단을 촬영한 이 사진은 ESO 라실라 천문대의 MPG/ESO 2.2미터 망원경에 탑재된 광대역화상기로 촬영된 것이다.

이 성단의 대부분의 별들이 고온의 청색거성임에도 불구하고 붉은 빛을 보이는 것은 전면을 가로막고 있는 먼지와 가스 때문이다.
유럽의 천문학자들이 사상처음으로 이 성단의 마그네타가 이중성계의 일원으로서 형성되었을 것이라는 점을 시연해냈다.

성단 내 다른 곳에 위치하는 마그네타의 원래 동반성(웨스터룬드 1-5)을 발견함으로써, 어떻게 엄청난 질량으로 시작된 별이 블랙홀로 붕괴되는 대신 마그네타가 될 수 있었는지를 알 수 있게 해주었다.

 

 

이번 연구결과를 담은 논문의 수석저자인 사이먼 클라크( Simon Clark)의 설명은 다음과 같다.
"우리가 처음 연구를 시작했을 때, 웨스터룬드 1에 존재하는 마그네타는 대략 태양질량의 40배 정도에 해당하는 별이 최후를 마치면서 만들어진 것으로 예측하였습니다. 그런데 이것 자체도 사실 문제였죠. 이처럼 무거운 별들은 일반적으로 최후를 마친 후 중성자 별이 아닌 블랙홀로 붕괴되기 때문이죠.
우리는 왜 이 별이 마그네타가 되었는지를 이해하지 못했답니다."
 
천문학자들은 이 미스테리에 대한 해답을 다음과 같이 제안했다.

마그네타가 지구와 태양 정도 거리에 해당하는 매우 작은 폭 안에 매우 무거운 별 두개가 서로 공전하면서 만들어내는 중력 상호작용을 통해 만들어진다고 가정한 것이다.

 

그러나 지금까지 웨스터룬드 1에 존재하는 마그네터의 동반성은 발견되지 않았다.
그래서 천문학자들은 VLT를 이용하여 성단 내의 다른 부분을 탐색해왔다.

 

그리고 천문학자들은 성단으로부터 매우 빠른속도로 탈출하고 있는 별들을 발견했는데, 이 별들이 마그네타로 변한 초신성 폭발의 공전궤도에서 내쳐진 별들일 가능성이 있었다.

그리고 그 중에서 웨스터룬드 1-5라고 알려진 별[2]이 바로 이러한 행동을 보이는 별임을 발견하였다.

 

이번 논문의 공동저자인 오픈 대학의 벤 릿치( Ben Ritchie)의 설명은 다음과 같다.
"이 별은 초신성 폭발로부터 발생한 반동일 것으로 예측된 빠른 속도를 가지고 있을 뿐 아니라, 적은 질량과 높은 광도 그리고 탄소가 풍부하게 함유되어 있다는 사실로 볼 때 독자적으로 존재하던 별일 가능성은 없습니다.
이 별이 바로 이중성계를 구성하던 별 중의 하나일 거라는 확실한 증거가 되는 셈입니다."
 
이번 발견은 천문학자들로 하여금 블랙홀 대신에 마그네타의 형성케 해준 별들의 일대기를 재구성할 수 있도록 해주고 있다.[3]

 

초기 단계에서 이중성계 중 좀 더 무거운 별- 이 별이 최종적으로 마그네타가 된다 - 이 연료를 빠르게 소진하고, 외곽 표피부는 질량이 덜 나가는 동반성으로부터 유입되면서 자전속도가 점점 더 빨라졌을 것이다.

이러한 빠른 자전은 극강의 자기장을 갖는 마그네타의 형성에 있어 본질적인 속성에 해당한다.

 

두번째 단계에서는 이러한 질량 이전의 결과 동반성 자체의 질량이 매우 무거워지면서 최근 획득한 질량의 상당 부분을 털어내버리게 된다.
이렇게 흘려나간 질량의 상당부분이 다시 해당 질량을 제공했던 동반성으로 되돌아가면서 웨스터룬드 1-5 와 같이 빛을 내는 별이 나타나게 되는 것이다.

 

연구팀의 일원인 스페인 천문센터 프란시스코 나자로(Francisco Najarro)의 설명은 다음과 같다.
"이처럼 물질들이 휩쓸려다닌 과정이 웨스터룬드 1-5의 독특한 화학적 조성을 알려주고 있으며  그 동반성이 질량을 잃으면서 블랙홀이 되는 대신에 마그네타가 될 수 있었던 이유를 알려주고 있습니다. 
 
그러므로 이중성계라는 조건은 마그네타를 형성하는 과정에 있어 본질적인 속성이라 할 수 있을 것이다.

 

강력한 자기장을 형성하는데 필요한 빠른 자전 속도가 두 개 별들 간의 질량 이동에 의해서 이루어졌고, 그리고 나서 반대 방향으로 이전된 두번째 질량 이동에서는 최후의 순간에 블랙홀로 붕괴되기에 충분하지 못할만큼 질량이 다시 낮아지게 되어 마그네타가 형성되었다는 것이다.

 

Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2,  Acknowledgment: Davide De Martin

 

사진2> DSS2에 의해 촬영된 이사진은 웨스터룬드 1 성단을 중심에 두고 제단자리를 촬영한 것이다.

성단이 사진 중앙에 고밀도의 오랜지색 덩굴처럼 보인다.
이 성단은 매우 어린 성단이고 무거운 질량을 가진 푸른색의 밝은 별들을 가지고 있지만 성단과 지구사이를 가로막는 고밀도의 먼지구름으로 인해 그 빛이 감소되어 붉은 빛으로 보인다.

이 성단은 수많은 먼지구름들을 따라 대량의 별들이 뭉쳐있는 우리 은하의 일부로서 관측가능하다.

 

각주

[1] 이 산개성단은 스웨덴의 천문학자인 벤거트 웨스터룬드(Bengt Westerlund)에 의해 1961년 호주에서 발견되었다.  
벤거트 웨스터룬드는 나중에 칠레 ESO의 감독관이 된 인물이다.     
이 성단은 자신의 가시광선 대부분을 차단하고 있는 거대한 가스와 먼지로 이루어진 성간 구름 뒤에 위치하고 있다. 
이것은 이 성단이 왜 그토록 오랫동안 그 본성을 드러내지 않았는지에 대한 이유가 된다. 
웨스터룬드 1은 극단적인 항성물리학을 연구하기 위한 독보적인 자연 실험실이기도 한데 천문학자들로 하여금, 우리 은하에서 가장 무거운 별들이 어떻게 삶과 죽음을 맞는지를 알아내는데 도움을 주고 있다. 
관측 결과에 따르면 이 성단에 속한 별들의 총질량은 태양질량의 10만배에 달하며 6광년도 채안되는 지역에 모든 별들이 몰려 있는 양상을 보여주고 있다 

따라서 웨스터룬드 1은 우리 은하에서 가장 큰 질량을 가진 초고밀도의 어린 성단으로 알려져 있다.
지금까지 분석된 웨스터룬드 1에 있는 별들의 질량은 태양 질량의 최소 30~40배 정도에 달한다. 
이와 같은 별들은 천문학적 스케일로는 매우 짧은 수명을 가지고 있기 때문에 웨스터룬드 1 역시 매우 어린 성단일 것이며, 천문학자들은 그 나이를 대략 350만년에서 5백만년 정도로 추정하고 있다. 
따라서 웨스터룬드 1은 우리 은하에서 명백하게 갓 태어난 성단이 되는 셈이다. 

 

[2] 이 별의 공식 명칭은 Cl* Westerlund 1 W 5 이다.

 

[3] 별들은 나이가 들어갈수록 핵반응을 통해 화학적 구성원소의 변화를 겪는다.
핵반응을 촉발시키는 원소들은 점점 고갈되고, 핵반응의 부산물들이 점점 쌓이게 되는 것이다.
별의 화학 지문은 처음에는 풍부한 수소와 질소를 보여주고 있지만 탄소는 현저하게 적게 존재한다.
탄소는 별이 수명을 지속하며 늙어갈수록 점점 증가하고 수소와 질소는 반대로 현저한 감소양상을 보인다.
웨스터룬드 1-5에서 보이는 바와 같이 홀로 존재하는 별에서 수소와 질소, 그리고 탄소가 일관성있게 풍부하게 존재하는 양상은 나타나지 않는다. 
 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 5월 14일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1415/
         
참고 : 마그네타를 비롯한 다양한 유형의 별에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346972

 

원문>

Magnetar Formation Mystery Solved?

14 May 2014

Magnetars are the bizarre super-dense remnants of supernova explosions. They are the strongest magnets known in the Universe — millions of times more powerful than the strongest magnets on Earth. A team of European astronomers using ESO’s Very Large Telescope (VLT) now believe they’ve found the partner star of a magnetar for the first time. This discovery helps to explain how magnetars form — a conundrum dating back 35 years — and why this particular star didn’t collapse into a black hole as astronomers would expect.

When a massive star collapses under its own gravity during a supernova explosion it forms either a neutron star or black hole. Magnetars are an unusual and very exotic form of neutron star. Like all of these strange objects they are tiny and extraordinarily dense — a teaspoon of neutron star material would have a mass of about a billion tonnes — but they also have extremely powerful magnetic fields. Magnetar surfaces release vast quantities of gamma rays when they undergo a sudden adjustment known as a starquake as a result of the huge stresses in their crusts.

The Westerlund 1 star cluster [1], located 16 000 light-years away in the southern constellation of Ara (the Altar), hosts one of the two dozen magnetars known in the Milky Way. It is called CXOU J164710.2-455216 and it has greatly puzzled astronomers.

“In our earlier work (eso1034) we showed that the magnetar in the cluster Westerlund 1 (eso0510) must have been born in the explosive death of a star about 40 times as massive as the Sun. But this presents its own problem, since stars this massive are expected to collapse to form black holes after their deaths, not neutron stars. We did not understand how it could have become a magnetar,” says Simon Clark, lead author of the paper reporting these results.

Astronomers proposed a solution to this mystery. They suggested that the magnetar formed through the interactions of two very massive stars orbiting one another in a binary system so compact that it would fit within the orbit of the Earth around the Sun. But, up to now, no companion star was detected at the location of the magnetar in Westerlund 1, so astronomers used the VLT to search for it in other parts of the cluster. They hunted for runaway stars — objects escaping the cluster at high velocities — that might have been kicked out of orbit by the supernova explosion that formed the magnetar. one star, known as Westerlund 1-5 [2], was found to be doing just that.

“Not only does this star have the high velocity expected if it is recoiling from a supernova explosion, but the combination of its low mass, high luminosity and carbon-rich composition appear impossible to replicate in a single star — a smoking gun that shows it must have originally formed with a binary companion,” adds Ben Ritchie (Open University), a co-author on the new paper.

This discovery allowed the astronomers to reconstruct the stellar life story that permitted the magnetar to form, in place of the expected black hole [3]. In the first stage of this process, the more massive star of the pair begins to run out of fuel, transferring its outer layers to its less massive companion — which is destined to become the magnetar — causing it to rotate more and more quickly. This rapid rotation appears to be the essential ingredient in the formation of the magnetar’s ultra-strong magnetic field.

In the second stage, as a result of this mass transfer, the companion itself becomes so massive that it in turn sheds a large amount of its recently gained mass. Much of this mass is lost but some is passed back to the original star that we still see shining today as Westerlund 1-5.

“It is this process of swapping material that has imparted the unique chemical signature to Westerlund 1-5 and allowed the mass of its companion to shrink to low enough levels that a magnetar was born instead of a black hole — a game of stellar pass-the-parcel with cosmic consequences!” concludes team member Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Spain).

It seems that being a component of a double star may therefore be an essential ingredient in the recipe for forming a magnetar. The rapid rotation created by mass transfer between the two stars appears necessary to generate the ultra-strong magnetic field and then a second mass transfer phase allows the magnetar-to-be to slim down sufficiently so that it does not collapse into a black hole at the moment of its death.

Notes

[1] The open cluster Westerlund 1 was discovered in 1961 from Australia by Swedish astronomer Bengt Westerlund, who later moved from there to become ESO Director in Chile (1970–74). This cluster is behind a huge interstellar cloud of gas and dust, which blocks most of its visible light. The dimming factor is more than 100 000, and this is why it has taken so long to uncover the true nature of this particular cluster.

Westerlund 1 is a unique natural laboratory for the study of extreme stellar physics, helping astronomers to find out how the most massive stars in the Milky Way live and die. From their observations, the astronomers conclude that this extreme cluster most probably contains no less than 100 000 times the mass of the Sun, and all of its stars are located within a region less than 6 light-years across. Westerlund 1 thus appears to be the most massive compact young cluster yet identified in the Milky Way galaxy.

All the stars so far analysed in Westerlund 1 have masses at least 30–40 times that of the Sun. Because such stars have a rather short life — astronomically speaking — Westerlund 1 must be very young. The astronomers determine an age somewhere between 3.5 and 5 million years. So, Westerlund 1 is clearly a newborn cluster in our galaxy.

[2] The full designation for this star is Cl* Westerlund 1 W 5.

[3] As stars age, their nuclear reactions change their chemical make-up — elements that fuel the reactions are depleted and the products of the reactions accumulate. This stellar chemical fingerprint is first rich in hydrogen and nitrogen but poor in carbon and it is only very late in the lives of stars that carbon increases, by which point hydrogen and nitrogen will be severely reduced — it is thought to be impossible for single stars to be simultaneously rich in hydrogen, nitrogen and carbon, as Westerlund 1-5 is.

More information

The research presented in this ESO Press Release will soon appear in the research journal Astronomy and Astrophysics (“A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45” by J. S. Clark et al.). The same team published a first study of this object in 2006 (“A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1” by M. P. Muno et al., Astrophysical Journal, 636, L41).

The team is composed of Simon Clark and Ben Ritchie (The Open University, UK), Francisco Najarro (Centro de Astrobiología, Spain), Norbert Langer (Universität Bonn, Germany, and Universiteit Utrecht, the Netherlands) and Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Spain).

The astronomers used the FLAMES instrument on ESO’s Very Large Telescope at Paranal, Chile to study the stars in the Westerlund 1 cluster.

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper
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ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer
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