마그네타

알려진 가장 강한 자석, 그리고 그중 하나가 은하를 가로질러 번쩍인 날

단계별로

도시만 한 자석

마그네타는 알려진 가장 강한 자기장을 가진 중성자별입니다. SGR 1806-20의 자기장은 약 2×10¹⁵가우스로, 지구 자기장의 4000조 배입니다.

중성자별은 무거운 별의 중심핵이 무너진 뒤 남는 것으로, 태양 질량의 약 1.4배가 지름 24km쯤 되는 공에 들어차 있습니다. 대부분은 지구의 약 1조 배인 자기장을 가집니다. 알려진 약 3000개의 중성자별 가운데 약 30개는 그보다도 100~1000배 강한 자기장을 가집니다. 이들을 마그네타라고 부릅니다.

궁수자리 쪽으로 약 2만 8000광년 떨어진 SGR 1806-20은 가장 강한 것 가운데 하나입니다. 자기장은 약 2×10¹⁵가우스입니다. 지구 자기장은 0.5가우스, 냉장고 자석은 약 100가우스, 지금까지 만든 가장 강한 정상 자석은 미국 국립고자기장연구소의 45만 5000가우스입니다.

마그네타에 이만큼 가까우면 원자 자체가 자기장을 따라 가는 바늘처럼 눌립니다. 1000km 떨어져도 자기장은 여전히 수십억 가우스여서, 어떤 생명체의 원자든 일그러뜨리기에 충분합니다.

느리게, 제동이 걸리는 자전

젊은 중성자별은 대부분 1초에 여러 바퀴를 돕니다. 마그네타는 2~12초에 한 바퀴로 천천히 돕니다. 거대한 자기장이 제동을 걸기 때문입니다. 별이 돌면 자기장이 전하를 띤 입자를 우주로 내던지고, 입자들이 자전을 가져가 버립니다.

꼬인 자기장

안쪽의 자기장은 더 강하고 뒤엉켜 있다고 여겨집니다. 바깥으로 비집고 나오면서 별 위의 자기력선을 꼬고, 자기력선이 뿌리내린 단단한 지각을 짓누릅니다.

중성자별의 지각은 두께 약 1km의 단단한 껍질로, 철이 많은 원자핵의 격자여서 강철보다 훨씬 튼튼합니다. 자기장은 이 지각을 꿰뚫고 그 안에 고정되어 있습니다.

마그네타의 자기장은 별 안쪽에서 더 강하고 뒤엉켜 있다고 여겨집니다. 여러 해에 걸쳐 천천히 바깥으로 밀고 나오며 지각을 끌어당기고, 표면 위로 고리를 이루는 자기력선을 꼬아 놓습니다. 꼬인 자기력선은 전류를 나르고, 전류는 지각을 데웁니다. 마그네타는 자전이 느려지며 내놓는 에너지보다 더 밝게 X선으로 빛납니다. 이들에게 힘을 주는 것은 자전이 아니라 자기입니다.

여기 보이는 꼬임은 가장 유력한 설명(Thompson, Lyutikov, Kulkarni 2002)에 따라 개념을 보여 주려고 그린 것입니다. 자기장 자체는 아무도 볼 수 없습니다.

별지진

부담이 너무 커지면 지각이 갈라집니다. 별지진이 일어날 때마다 자기장이 흔들리고, 약 0.1초 동안 X선과 감마선 폭발이 뿜어져 나옵니다.

마그네타는 처음에 바로 이 폭발로 주목받았습니다. 1979년 위성들이 하늘의 같은 곳에서 짧게 되풀이되는 감마선 폭발을 잡아냈고, 그 원천은 연감마선 반복원이라 불렸습니다. SGR 1806-20의 SGR이 이것입니다.

전형적인 폭발은 약 0.1초 이어지며, 태양이 며칠에서 몇 달 동안 내놓는 만큼의 에너지를 주로 X선으로 내놓습니다. 깨어난 마그네타는 몇 주 동안 수백 번 폭발하다가 몇 년씩 조용해지기도 합니다. 가장 유력한 설명은 지진 때 땅이 갈라지듯 지각이 자기장의 부담에 부서지고, 그 위의 자기력선이 순식간에 새 모양으로 튕겨 가며 에너지를 풀어놓는다는 것입니다.

균열과 폭발은 그린 것이며, 6배 느리게 재생됩니다.

거대 플레어

2004년 12월 27일, SGR 1806-20이 모든 것을 한꺼번에 터뜨렸습니다. 5분의 1초 동안 2만 8000광년 떨어진 곳에서 지구에서 본 보름달보다 밝게 빛났습니다. 태양계 밖에서 본 가장 밝은 섬광입니다.

거대 플레어는 세계시 21시 30분에 지구에 닿았습니다. 거의 모두 눈에 보이지 않는 감마선이었지만, 5분의 1초 동안 보름달빛보다 많은 에너지를 지구에 가져왔습니다(Palmer 외 2005). 우주의 거의 모든 감마선 검출기를 포화시켰고, 지구의 상층 대기인 전리층까지 흔들었습니다.

여러 해 부담이 쌓인 자기장의 큰 부분이 끊어지며 한꺼번에 새 모양으로 튕겨 가면서 일어났고, 빛의 속도의 상당한 비율로 물질 구름을 내던졌다고 여겨집니다.

섬광은 감마선으로, 연보라색으로 그렸으며 약 5배 느리게 재생됩니다.

맥동하는 꼬리

섬광 뒤에 자기장에 붙들린 불덩이가 약 6분 동안 빛났고, 7.56초마다 별의 자전이 그것을 우리 쪽으로 돌릴 때마다 밝아졌습니다.

첫 섬광은 5분의 1초 이어졌습니다. 그 뒤로 약 380초에 걸쳐 사그라지는 부드러운 빛이 이어졌고, 7.56초마다 밝아졌다 어두워졌습니다. 별 자신의 자전입니다.

설명은 갇힌 불덩이입니다. 수억 도의 전자, 양전자, 감마선 덩어리가 표면 바로 위, 자기장의 닫힌 고리에 붙잡혀 있는 것입니다. 스스로의 압력으로 순식간에 흩어져야 하지만, 이만큼 강한 자기장만이 붙잡아 둘 수 있습니다. 바깥에서 안쪽으로 식으면서 빛이 사그라졌고, 그동안 별의 자전이 그것을 지구 쪽으로 돌렸다가 다시 돌려 놓았습니다.

여기서는 불덩이를 별의 한쪽에 그렸습니다. 실제 모양은 알려져 있지 않습니다. 꼬리는 실제보다 약 4배 빠르게 진행됩니다.

별이 울렸다

꼬리에서 X선이 일정한 진동수로, 1초에 18~1840번 깜빡였습니다. 지각이 별지진의 흔들림으로 아직 떨고 있었던 것입니다. 친 종처럼.

꼬리의 X선을 정밀하게 잰 위성들은 일정한 진동수의 깜빡임을 찾아냈습니다. 1초에 18, 26, 30, 92, 150, 625, 1840번입니다(Israel 외 2005, Strohmayer와 Watts 2006). 비슷한 조합이 1998년 SGR 1900+14의 거대 플레어에서도 발견된 적이 있습니다.

이는 중성자별의 지각이 절반씩 서로 반대로 앞뒤로 비틀리는 방식과 맞아떨어집니다. 지진학자가 지진 뒤 지구의 울림을 읽어 속을 알아내는 것과 같습니다. 중성자별의 속을 이렇게 들여다본 것은 처음이었습니다.

이 진동수들은 우리가 들을 수 있는 음높이입니다. 소리를 켜면 여기서 음으로 울립니다. 음량은 그린 것입니다. 지각의 비틀림은 눈으로 따라갈 수 있게 느리게 그렸습니다.

무거운 원소

플레어는 물질도 내던졌습니다. 약 10분 뒤 희미한 감마선 빛이 그 안에 갓 만들어진 무거운 원소가 들어 있음을 보여 주었습니다. 지구 질량의 약 3분의 1입니다.

플레어는 중성자가 풍부한 물질 구름을 빛의 속도의 상당한 비율로 내던졌습니다. 옛 기록을 다시 살펴본 천문학자들은 섬광 약 10분 뒤에 가장 밝아진, 늦고 희미한 감마선 빛을 찾아냈습니다.

그 밝기와 시간 변화는 갓 만들어진 무거운 원자핵의 방사성 붕괴와 맞아떨어집니다. 금, 백금, 우라늄을 만드는 빠른 중성자 포획, 곧 r과정입니다. 태양 질량의 약 100만분의 1, 지구 질량의 3분의 1이 만들어졌습니다(Patel 외 2025). 이런 거대 플레어가 우리은하의 가장 무거운 원소 가운데 1~10퍼센트를 만들 수도 있습니다. 나머지 대부분은 중성자별 충돌에서 옵니다.

구름은 금빛으로 빛나는 껍질로 그렸습니다. 실제 모양은 알려져 있지 않습니다.

우리은하에서 온 전파 폭발

2020년 4월 28일, 또 다른 마그네타 SGR 1935+2154가 X선 폭발과 함께 1000분의 1초도 안 되는 전파 섬광을 내놓았습니다. 우리은하 안에서 본 첫 고속 전파 폭발입니다.

고속 전파 폭발은 몇 밀리초 동안 이어지는 전파 섬광으로, 2007년에 처음 발견되었습니다. 지금까지 수천 번 관측되었는데 거의 모두 다른 은하에서 왔고, 무엇이 만드는지는 수수께끼였습니다.

2020년 4월 28일, 캐나다의 CHIME과 미국의 STARE2 두 전파 망원경이 약 3만 광년 떨어진 SGR 1935+2154에서 온 폭발을, 그 별의 X선 폭발과 같은 순간에 잡아냈습니다. 29밀리초 간격의 두 섬광으로 왔습니다. 다른 은하에서 보았다면 희미한 고속 전파 폭발처럼 보였을 것입니다. 저 먼 섬광들 가운데 적어도 일부는 마그네타에서 옵니다.

전파는 보이지 않습니다. 여기서는 초록색으로 그렸고 약 30배 느리게 재생됩니다.

사그라짐

마그네타는 젊습니다. 자기장은 약 1만 년 안에 닳아 없어집니다. 그러면 폭발이 멈추고, 별은 조용한 중성자별로 살아갑니다.

알려진 마그네타는 약 30개로, 모두 우리은하나 그 동반 은하인 대마젤란운에 있습니다. 젊은 성단과 초신성 잔해 근처에 있고, 수천 살이 넘는 것은 드뭅니다. 1만 6000광년 떨어진 성단 베스테를룬드 1에 있는 하나는 태양 질량의 약 40배인 별에서 태어났습니다.

자기장이 약해지며 꼬임을 풀어놓을수록 별을 데우고 폭발에 힘을 줍니다. 1만 년쯤 지나면 지각을 깨뜨릴 만큼의 자기장이 남지 않습니다. 마그네타는 느려지고 식으며, 우리은하를 채우고 있다고 여겨지는 수억 개의 조용한 중성자별 가운데 하나가 되어 사그라집니다.

이 이야기 속 천체

중성자별