마그네타(Magnetar)의 기원 : HD 45166을 통한 추정

마그네타란 우주에서 가장 강력한 자기장을 가진 천체로서

초강력 자기장에 휩싸여 있는 초고밀도의 죽은 별을 말한다. 

 

마그네타는 우리 은하 어디에서든 쉽게 발견된다.
하지만 이 별이 어떻게 만들어진 것인지는 알려져 있지 않다. 

이번에 과학자들이 지구 전역의 여러 강력한 망원경을 이용하여 
마그네타로 변해가고 있는 살아 있는 별을 발견했다. 

이번에 밝혀진 것은 해당 별이 '무거운 자기 헬륨별(massive magnetic helium stars)'이라는 사실인데

이는 새로운 유형의 천체가 발견된 것이기도 하다. 
이를 통해 마그네타가 만들어진 원인을 발견할 수 있을 것으로 기대된다. 

 

HD 45166 상상화, Credit: ESO/L. Calçada

HD 45166이라는 별은 지난 100여 년 이상의 관측에도 불구하고 전통적 모델로는 쉽게 설명되지 않는 수수께끼의 별이었다.  이 별은 헬륨을 풍부히 가진 한 쌍의 별 중 하나이며, 우리 태양보다 약간 무거운 수준의 별이라는 사실 외에 알려진 것은 거의 없었다. [1]

네덜란드 암스테르담 대학의 천문학자이며 
2023년 8월 17일, 사이언스지에 개재된 논문의 주저자인 토머 셰나르(Tomer Shenar)는

이 별이 자신에게는 약간의 강박이 되어버렸다고 말했다. 

논문의 공동저자인 율리아 보덴스타이너(Julia Bodensteiner)의 소감은 다음과 같다.
"토머와 저는 이 별을 '좀비별'이라고 불렀습니다. 
 이 별이 독특한 별일 뿐 아니라, 저는 농담으로 이 별이 토머를 좀비로 만들었다고 얘기했기 때문이죠."

 

HD 45166은 외뿔소자리 방향으로 3,000 광년 떨어져 있다. 

그런데 전통적 모델로는 이 별의 특징을 설명할 수가 없었다. 

예전부터 헬륨을 잔뜩 보유한 별을 연구해온 셰나르는 자기장이 이 별의 특징을 설명해 줄 단서가 될 것이라고 생각했다. 

셰나르는 문학작품을 읽다가 '이 별이 자기를 띤 별이면 어떤 모습일까?'라는 생각을 떠올렸는데 바로 이 순간이 유래카의 순간이었다고 말했다. 

셰나르와 연구팀은 지구 전역에 있는 다양한 관측 설비를 이용하여 연구할 계획을 세웠다. 
주요 관측은 2022년 2월, 캐나다-프랑스-하와이 망원경을 이용하여 진행되었으며 이때 자기장을 포착해낼 수 있었다. 
연구팀은 또한 ESO 라실라 천문대의 FEROS 분광기가 수집해 놓은 데이터를 핵심자료로 사용했다. 

관측이 시작된 후 셰나르는 캐나다 왕립군사대학에 재직중인 별 자기장 전문가 그레그 웨이드(Gregg Wade)에게 데이터를 검토해 줄 것을 요청했다. 
웨이드의 답장은 다음과 같았다.

 

"친구야. 
 이게 뭐든간에 말이야, 
 이건 확실히 자기장이야!"

셰나르의 직감이 확정되는 순간이었다.  
 
연구팀은 이 별이 무려 43,000 가우스라는 엄청나게 강력한 자기장을 가지고 있음을 밝혀냈다. 
이 정도 질량을 가진 별로는 가장 강력한 자기장을 가진 별이 발견된 순간이었다.[2] 

뢰번 카톨릭 대학교 천문연구소(KU Leuven’s Institute of Astronomy)의 천문학자이자

이번 논문의 공동저자인 파블로 마찬트(Pablo Marchant)는
헬륨별의 전체 표면에 있는 자기장은 지구보다 10만 배나 강력하다고 말했다. 

이번 관측은 무거운 질량을 가진 자기헬륨별로는 첫 번째 발견이라는 이정표가 되었다. 

셰냐르의 소감은 다음과 같다.
"새로운 유형의 천체를 발견하는 것만큼 즐거운 일은 없습니다.
 특히 그 대상이 평범한 모습 뒤에 모든 특별한 것을 숨겨놓았을 때는 더더욱 그렇죠."

무엇보다 이번 발견은 마그네타의 기원에 대한 단서도 제공해 주었다.

 

마그네타란 HD 45166보다도 최소 10억 배나 강력한 자기장에 둘러싸인 고밀도의 죽은 별을 말한다. 
연구팀의 계산 결과는 HD 45166이 마그네타로 수명을 마칠 것이라는 가능성을 보여주었다. 

이 별이 중력붕괴를 겪으면 자기장은 훨씬 더 강해질 것인데 
소규모 고밀도의 핵으로 응축되면 자기장은 거의 100조 가우스에 달할 것이다.
이는 우주에서 가장 강력한 자기장을 의미하는 수치이다. 

연구팀은 또한 HD 45166의 질량이 이전에 연구된 것 보다 적은 태양질량 대비 약 2배 수준인 것으로 분석했다. 
또한 이 별의 짝꿍별은 예전 추정보다 훨씬 먼 거리를 벌리고 상호공전 중인 것으로 밝혀졌다. 
무엇보다 특이한 것은 HD 45166이 좀더 규모가 작은 두 개의 헬륨별이 충돌하여 만들어졌다는 것이다. 

보덴스타이너는 이번 관측 결과가 HD 45166에 대한 기존의 생각을 모두 뒤엎고 있다고 평가했다. 

 

각주

[1] 엄밀히 말해 HD 45166은 이중별계를 지칭하는 말이다. 
     하지만 이 글에서 HD 45166은 헬륨을 풍부하게 가진 별 하나만을 지칭하는 용어로 사용되었다. 

[2] 43,000 가우스라는 자기장은 찬드라 세카르 질량한계를 넘어서는 별에서 발견된 것으로는 가장 강력한 자기장이다. 
    찬드라 세카르 질량한계란 태양질량의 약 1.4배로 
    이 한도를 넘어서는 별은 붕괴후 중성자별로 남게 된다.(마그네타는 중성자 별의 일종이다.)

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2023년 8월 17일자