(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)
(Graphical depiction of how magnetars create heavy elements. Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
참고
https://phys.org/news/2025-04-flares-magnetized-stars-forge-planets.html
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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