처음으로 강한 자기장을 가진 거대한 헬륨별 발견 (영상)
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-08-18 15:06:26
3;20" 읽기 + 1'39" 영상
- 하와이에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경에서 특수 분광 편광계를 사용해 이 별 관찰
- 약 3천 광년 떨어져 있는 헬륨별 HD 45166은 무거운 별, 자속 밀도는 43,000가우스
-
마그네타는 우주에서 가장 강력한 자석이다. 이 빠르게 회전하는 중성자별은 10억 테슬라 또는 약 100조 가우스 이상의 자속 밀도를 가진 자기장을 생성할 수 있다.
그런데 이 엄청난 자기력은 어떻게 생기는 걸까? 지금까지 천문학자들은 추측만 할 수 있었다. 한 이론에 따르면, 마그네타는 거대한 조상 별로부터 자기장을 물려받는다. 핵이 중성자별로 붕괴할 때 직경이 크게 줄어들기 때문에 자기장은 그에 따라 "집중"된다. 그러나 지금까지 수명 주기의 끝에 있고 충분히 강한 자기장을 가진 무거운 별은 알려져 있지 않다.
마그네타 전구체의 또 다른 후보는 거대한 헬륨 별이다. 별은 수소 껍질을 잃어 헬륨이 풍부한 항성 핵을 노출시킨다. Wolf-Rayet 별의 이 하위 유형은 강한 항성풍을 가진 무거운 별에서 형성될 수 있지만, 파트너 별과의 상호 작용 또는 두 개의 백색 왜성의 합병에서 형성될 수도 있다. 헬륨 별에 자기장이 있고 중성자별으로 붕괴하는 데 필요한 질량이 있으면 자기 전구체가 될 수도 있다. 그러나 그러한 거대한 자기 헬륨 별 역시 관측된 적이 없다.
이상 현상이 있는 헬륨별
이제 상황이 바뀌었다. 암스테르담 대학의 Tomer Shenar가 이끄는 천문학자들은 자기 전구체에 대한 모든 요구 사항을 충족하는 헬륨 별을 처음으로 발견했다. 약 3,000광년 떨어져 있는 헬륨별 HD 45166은 한동안 알려졌으나 아직 제대로 분류되지 않았다. 전형적인 Wolf-Rayet 별에 비해 질량이 너무 낮아 보였고 스펙트럼에서 질소, 탄소 및 산소의 비율이 비정상적으로 높았기 때문이다.
이러한 스펙트럼 이상은 자기장을 나타낼 수 있기 때문에 Shenar와 그의 팀은 하와이에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT)에서 특수 분광 편광계를 사용해 이 별을 자세히 관찰했다. 또한 그들은 다른 망원경의 스펙트럼 데이터를 평가했다. 데이터는 이상 현상을 확인했으며 HD 45166에서 나오는 대부분의 빛이 원형 편광임을 밝혔다. 이 역시 자기장의 존재를 나타낼 수 있다.
강한 자기장을 나타내는 스펙트럼선
가장 중요한 것은 이 헬륨 별의 스펙트럼에 있는 산소 선이 특징적으로 두 가지 구성 요소로 나뉘어져 있다는 것이다. 소위 Zeeman splitting은 이 별의 표면에 자기장이 있어야 함을 나타내며 또한 그 강도를 나타낸다. 스펙트럼선이 더 많이 분할될수록 자기장이 더 강해지기 때문이다. Shenar와 그의 팀은 헬륨별 HD 45166이 43,000가우스의 자속 밀도를 가진 자기장을 가지고 있어야 한다고 결정했다.
이것은 이 헬륨 별을 지금까지 관찰된 것 중 가장 자성이 큰 별이 되게 한다. 동시에 HD 45166은 최초의 거대한 자기 헬륨 별이므로 완전히 새로운 종류의 별에 속한다. Shenar는 "새로운 종류의 천체를 발견하는 것은 신나는 일이다. 특히 천체가 그동안 숨겨져 있었을 때 더욱 그렇다"고 Shenar는 말했다.
마그네타의 조상
이 발견은 또한 천문학자들이 마침내 마그네타의 원조 별을 발견했을 수도 있음을 의미한다. 헬륨별 HD 45166은 수백만 년 안에 강한 자성을 띤 중성자별이 되기 위한 모든 요구 사항을 충족하기 때문이다. Shenar와 그의 동료들은 "2.03 태양질량의 질량을 가진 이 Wolf-Rayet 같은 별이 붕괴하여 중성자별이 될 것으로 예상한다"고 설명했다.
자속은 유지되지만 별의 크기는 급격히 줄어들기 때문에 중성자별 표면의 자기장은 그에 따라 더 강해진다. "측정된 43,000가우스와 약 12km의 중성자별 반경을 기반으로 우리는 약 110조 가우스에서 중성자별의 예상 자기장을 계산했다"고 천문학자들은 썼다. "그것은 마그네타의 범위 내에 있다.”
합병으로 생성?
따라서 이 별은 마그네타의 기원에 대한 수수께끼를 풀 수 있다. 동시에, 이 헬륨 별은 그러한 자기 전구체에 대한 초기 이론을 확인시켜준다. 시뮬레이션에서 Shenar와 그의 팀은 HD 45166이 어떻게 형성될 수 있었는지 조사했다. "태양질량이 2배인 껍질 없는 헬륨 별을 만들기 위해서는 원래 별이 태양질량의 10배 정도였어야 한다"고 그들은 보고했다. 그러나 그런 별들은 보통 그렇게 껍질을 잃지 않는다.
그러나 이 모델은 HD 45166이 두 개의 더 작은 원형 별의 합병으로 형성되었을 가능성이 있음을 보여주었다. 이 별들은 가까운 쌍을 이루었고 물질을 서로 빨아들이는 일련의 과정을 거쳐 결국 공통의 수소 외피를 공유했다. 그런 다음 두 개의 항성 핵이 합쳐질 때 그 껍질이 튕겨져 나갔고 거대한 자기 헬륨 별을 남겼다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.ade3293)
출처: NOIRLab/AURA(Association of Universities for Research in Astronomy), 유럽남방천문대(ESO)
- 하와이에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경에서 특수 분광 편광계를 사용해 이 별 관찰
- 약 3천 광년 떨어져 있는 헬륨별 HD 45166은 무거운 별, 자속 밀도는 43,000가우스
-
마그네타의 조상 발견
헬륨 별은 무거운 별에 대해 측정된 가장 강력한 자기장을 가지고 있다.
퀴즈가 풀렸을까? 천문학자들은 오랫동안 마그네타가 어떻게 형성되는지 숙고해 왔다. 이제 그들은 처음으로 강한 자기 중성자별의 조상 별을 발견할 수 있었다. 약 3천 광년 떨어져 있는 헬륨별 HD 45166은 무거운 별에 대해 측정된 가장 강력한 자기장을 가지고 있으며, 자속 밀도는 43,000가우스다. 따라서 이 별은 하루 동안 중성자별로 붕괴되기 위한 모든 요구 사항을 충족하고 완전히 새로운 등급의 무거운 별을 형성한다.
 |
| ▲ 천문학자들이 강한 자기장을 가진 거대한 헬륨별을 처음으로 발견했다. 이 새로운 종류의 별은 오랫동안 찾아온 마그네타의 조상이 될 수 있다. © ESO/ L. Calçada |
마그네타는 우주에서 가장 강력한 자석이다. 이 빠르게 회전하는 중성자별은 10억 테슬라 또는 약 100조 가우스 이상의 자속 밀도를 가진 자기장을 생성할 수 있다.
마그네타의 기원에 대한 미스터리
그런데 이 엄청난 자기력은 어떻게 생기는 걸까? 지금까지 천문학자들은 추측만 할 수 있었다. 한 이론에 따르면, 마그네타는 거대한 조상 별로부터 자기장을 물려받는다. 핵이 중성자별로 붕괴할 때 직경이 크게 줄어들기 때문에 자기장은 그에 따라 "집중"된다. 그러나 지금까지 수명 주기의 끝에 있고 충분히 강한 자기장을 가진 무거운 별은 알려져 있지 않다.
 |
| ▲ 마그네타는 극도로 강한 자기장을 가진 빠르게 회전하는 중성자별이다. © Pitris/ 게티 이미지 |
마그네타 전구체의 또 다른 후보는 거대한 헬륨 별이다. 별은 수소 껍질을 잃어 헬륨이 풍부한 항성 핵을 노출시킨다. Wolf-Rayet 별의 이 하위 유형은 강한 항성풍을 가진 무거운 별에서 형성될 수 있지만, 파트너 별과의 상호 작용 또는 두 개의 백색 왜성의 합병에서 형성될 수도 있다. 헬륨 별에 자기장이 있고 중성자별으로 붕괴하는 데 필요한 질량이 있으면 자기 전구체가 될 수도 있다. 그러나 그러한 거대한 자기 헬륨 별 역시 관측된 적이 없다.
이상 현상이 있는 헬륨별
이제 상황이 바뀌었다. 암스테르담 대학의 Tomer Shenar가 이끄는 천문학자들은 자기 전구체에 대한 모든 요구 사항을 충족하는 헬륨 별을 처음으로 발견했다. 약 3,000광년 떨어져 있는 헬륨별 HD 45166은 한동안 알려졌으나 아직 제대로 분류되지 않았다. 전형적인 Wolf-Rayet 별에 비해 질량이 너무 낮아 보였고 스펙트럼에서 질소, 탄소 및 산소의 비율이 비정상적으로 높았기 때문이다.
이러한 스펙트럼 이상은 자기장을 나타낼 수 있기 때문에 Shenar와 그의 팀은 하와이에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT)에서 특수 분광 편광계를 사용해 이 별을 자세히 관찰했다. 또한 그들은 다른 망원경의 스펙트럼 데이터를 평가했다. 데이터는 이상 현상을 확인했으며 HD 45166에서 나오는 대부분의 빛이 원형 편광임을 밝혔다. 이 역시 자기장의 존재를 나타낼 수 있다.
 |
| ▲ HD 45166의 자기 형성: 기원은 거대하고 강한 자기 헬륨 별이다. 이것은 초신성에서 붕괴하고 그 결과는 100조 가우스의 자기장을 가진 중성자 별인 마그네타이다. © NOIRLab/AURA/NSF/ P. Marenfeld, M. Zamani |
강한 자기장을 나타내는 스펙트럼선
가장 중요한 것은 이 헬륨 별의 스펙트럼에 있는 산소 선이 특징적으로 두 가지 구성 요소로 나뉘어져 있다는 것이다. 소위 Zeeman splitting은 이 별의 표면에 자기장이 있어야 함을 나타내며 또한 그 강도를 나타낸다. 스펙트럼선이 더 많이 분할될수록 자기장이 더 강해지기 때문이다. Shenar와 그의 팀은 헬륨별 HD 45166이 43,000가우스의 자속 밀도를 가진 자기장을 가지고 있어야 한다고 결정했다.
이것은 이 헬륨 별을 지금까지 관찰된 것 중 가장 자성이 큰 별이 되게 한다. 동시에 HD 45166은 최초의 거대한 자기 헬륨 별이므로 완전히 새로운 종류의 별에 속한다. Shenar는 "새로운 종류의 천체를 발견하는 것은 신나는 일이다. 특히 천체가 그동안 숨겨져 있었을 때 더욱 그렇다"고 Shenar는 말했다.
마그네타의 조상
이 발견은 또한 천문학자들이 마침내 마그네타의 원조 별을 발견했을 수도 있음을 의미한다. 헬륨별 HD 45166은 수백만 년 안에 강한 자성을 띤 중성자별이 되기 위한 모든 요구 사항을 충족하기 때문이다. Shenar와 그의 동료들은 "2.03 태양질량의 질량을 가진 이 Wolf-Rayet 같은 별이 붕괴하여 중성자별이 될 것으로 예상한다"고 설명했다.
자속은 유지되지만 별의 크기는 급격히 줄어들기 때문에 중성자별 표면의 자기장은 그에 따라 더 강해진다. "측정된 43,000가우스와 약 12km의 중성자별 반경을 기반으로 우리는 약 110조 가우스에서 중성자별의 예상 자기장을 계산했다"고 천문학자들은 썼다. "그것은 마그네타의 범위 내에 있다.”
합병으로 생성?
따라서 이 별은 마그네타의 기원에 대한 수수께끼를 풀 수 있다. 동시에, 이 헬륨 별은 그러한 자기 전구체에 대한 초기 이론을 확인시켜준다. 시뮬레이션에서 Shenar와 그의 팀은 HD 45166이 어떻게 형성될 수 있었는지 조사했다. "태양질량이 2배인 껍질 없는 헬륨 별을 만들기 위해서는 원래 별이 태양질량의 10배 정도였어야 한다"고 그들은 보고했다. 그러나 그런 별들은 보통 그렇게 껍질을 잃지 않는다.
그러나 이 모델은 HD 45166이 두 개의 더 작은 원형 별의 합병으로 형성되었을 가능성이 있음을 보여주었다. 이 별들은 가까운 쌍을 이루었고 물질을 서로 빨아들이는 일련의 과정을 거쳐 결국 공통의 수소 외피를 공유했다. 그런 다음 두 개의 항성 핵이 합쳐질 때 그 껍질이 튕겨져 나갔고 거대한 자기 헬륨 별을 남겼다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.ade3293)
출처: NOIRLab/AURA(Association of Universities for Research in Astronomy), 유럽남방천문대(ESO)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
