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우주 이야기 1509 - 우주에 있는 무거운 원소 중 일부는 마그네타에서 나왔다?



 (In an ejection that would have caused its rotation to slow, a magnetar is depicted losing material into space in this artist's concept. The magnetar's strong, twisted magnetic field lines (shown in green) can influence the flow of electrically charged mate)

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(Graphical depiction of how magnetars create heavy elements. Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

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우주가 처음 생겨 났을 때에는 수소와 헬륨이 원소의 대부분이었고 극소량의 리튬 만이 존재했습니다. 지구 같이 철과 무거운 원소가 풍부한 행성과 인간 같은 생명체는 이 상태에서는 생길 수 없는 존재였습니다.

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하지만 별이 최후를 맞이하면서 핵융합 반응과 초신성 폭발 결과 내놓는 무거운 원소들이 현재의 행성과 생명체를 만들어 냈습니다. 우리가 사는 지구와 인간 자체가 사실 별에서 나왔다는 사실은 이제 상식에 속합니다.

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그런데 사실 더 깊게 파고들어가면 모든 원소가 동일한 조건과 환경에서 생성되는 것은 아닙니다. 과학자들은 중성자가 풍부한 유라늄이나 스트론튬 같은 무거운 원소들이 생성되기 위해서는 빠른 중성자 포획 과정 (rapid neutron-capture process) 혹은 r 과정 (r-process)이라는 과정이 필요하다고 보고 있습니다. r 과정은 중성자별 끼리의 충돌이나 초신성 폭발 같은 극한적 상황에서 생깁니다.

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그런데 콜롬비아 대학의 아니루드 파텔 (Anirudh Patel, a doctoral candidate at Columbia University)이 이끄는 콜롬비아 대학 및 플라티론 연구소 컴퓨터 천체물리학 센터 (Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA))의 과학자들은 세 번째 과정을 찾아냈습니다.

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연구팀은 2004년 관측된 한 마그네타 (magnetar)의 강력한 플레어에서 힌트를 얻었습니다. 마그네타는 우주에서 가장 강력한 자기장을 지닌 중성자별로 지구보다 수조 배 이상 강한 자기장을 지니고 있습니다. 마그네타 표면에 축적된 막대한 에너지는 주기적으로 우주로 분출되어 강력한 플레어로 나타납니다.

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그런데 당시 과학자들은 최초 플레어 발생 후 10분 후 발생한 예상치 못한 밝기 증가에 대해 20년 동안 답을 찾지 못했습니다. 연구팀은 그 답을 찾기 위해 여러 가능성을 검증한 후 마그네타에서 발생한 r 과정이 그 이유일 가능성이 높다는 사실을 알아냈습니다.

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연구팀에 따르면 마그네타의 플레어 발생 직후 지각에서 떨어져 나온 철 원자가 자유 중성자와 충돌해 매우 불안정한 동위 원소를 만들고 이 동위원소가 빠르게 붕괴하는 과정에서 마그네타 주변에서 에너지 방출이 증가하게 됩니다.

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연구팀은 이 과정이 은하계에 있는 금이나 우라늄 같은 무거운 원소의 10%를 생성한 것으로 추정하고 있습니다. 그리고 플레어 한 번에 나온 무거운 원소의 양이 화성 질량과 거의 비슷한 것으로 보고 있습니다.

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생각보다 많은 양이 마그네타에서 나온 셈인데, 보다 정확한 비율을 알기 위해서는 더 많은 정보가 필요합니다. 연구팀은 2027년 발사 예정인 콤프톤 분광계 및 이미저 임무 (Compton Spectrometer and Imager mission)가 중요한 해답을 줄 것으로 기대하고 있습니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-04-flares-magnetized-stars-forge-planets.html

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Anirudh Patel et al, Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adc9b0

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