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2013년 7월 27일 토요일

우주에서 가장 큰 자기장 (Largest Magnetic Fields in the Universe)




 막스 플랑크 연구소의 중력 물리학/알버트 아인슈타인 연구소 (Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI)) 의 과학자들이 우주에서 가장 크고 강력한 자기장을 시뮬레이션 하는데 성공했다고 Physical Review D 에 발표했습니다. 이들이 재구성한 우주의 강력한 자기장은 바로 두개의 중성자별이 충돌하면서 발생하는 것으로 생각되는 짧은 감마선 버스트 short Gamma Ray Burst (GRB) 입니다.


 두개의 별이 서로의 질량 중심을 두고 공전하다가 하나씩 중성자 별이 되었을 때 운이 나쁘면 안정된 궤도를 돌지 못하고 점점 중력에 이끌려 접근하게 되는 일이 생길 수 있습니다. 이 죽음의 춤의 필연적인 결과는 블랙홀로의 붕괴인데 대개의 중성자 별 2 개의 질량은 블랙홀의 최하 질량 한계선인 태양 질량의 약 3배 정도 (Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit (TOV 한계) ) 를 넘기 때문입니다.


 두개의 중성자별이 하나의 블랙홀로 중력 붕괴를 하면서 내놓는 에너지는 심지어 1 년간 은하계 전체가 내놓는 에너지와 맞먹을 정도로 강력합니다. 앞서 포스트들에서 소개드린 대로 페르미 (Fermi) 나 스위프트 (Swift), 혹은 XMN Newton 위성들이 이 강력한 감마선 버스트들을 관측하고 있습니다. 


 막스 플랑크 연구소의 과학자들이 궁금해 했던 부분은 이와 같은 충돌 현상이 발생할 때 나타날 강력한 자기장입니다. 이 자기장의 세기는 지구 자기장과 비교해서 약 1000 만 ~ 1 억 X 10 억배 정도 강력합니다. ('stronger than ten or hundred million billion times Earth's magnetic field' ) 이는 두개의 강력한 자기장을 가진 중성자별이 빠르게 다가가면서 고속으로 공전하는 과정에서 서로 자기 유도가 되어 발생하는 과정으로 magnetorotational instability 라고 불립니다.



(두개의 중성자 별이 하나의 블랙홀이 되는 과정에서 생기는 초강력 자기장의 시뮬레이션
An instability triggered in the interior of a hypermassive neutron star can lead to gigantic magnetic fields before the star collapses to a black hole. (Credit: ⓒ Max Planck Institute for Gravitational Physics/D. Siegel))
 이 자기장이 존속하는 시간이 대단히 짧지만 그 세기는 우리의 상상을 초월할 정도이며 우주에서 이보다 더 강력한 자기장을 찾기는 어려울 것입니다. 우리가 이를 직접 관측하긴 어렵지만 이론적인 연구를 통해 그 존재를 간접적으로 추정할 수는 있을 것입니다. 연구팀은 이를 정교한 시뮬레이션으로 구현했습니다. 
 이 연구는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 맞춰 magnetorotational instability 를 프레임 워크로 재현했다는 데 첫번째 의의가 있으며 두번째로는 이 초강력 자기장이 짧은 시간에 엄청난 에너지를 방출하는 GRB 의 메카니즘에 관여한다는 증거를 지지했다는 의의가 있다고 연구팀은 평가했습니다.
 아무튼 좀처럼 감이 잡히지 않을 만큼 강력한 자기장이 우주에 존재하다는 이야기 였습니다. 우리 근처에서는 이런 일이 생기지 않아 다행이지만 말이죠.
 참고

Journal Reference:

  1. Daniel M. Siegel, Riccardo Ciolfi, Abraham I. Harte, Luciano Rezzolla. Magnetorotational instability in relativistic hypermassive neutron starsPhysical Review D, 2013; 87 (12) DOI:10.1103/PhysRevD.87.121302




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