밀도와 자기장이 극단에 다다른 천체, 마그네타를 중심으로
우주에서 가장 강력한 자기장을 가진 천체는 무엇일까요?
흔히 지구나 태양의 자기장을 떠올릴 수 있지만, 그보다 수조 배나 더 강력한 자기장을 가진 존재가 있습니다.
그 주인공은 바로 “중성자별(Neutron Star)”, 그중에서도 **“마그네타(Magnetar)”**라 불리는 특이한 종류의 중성자별입니다.
이 블로그 글에서는 중성자별의 자기장이 얼마나 강력한지, 그것이 어떻게 형성되고 관측되는지, 그리고 2025년 현재 연구 동향까지 다루어 보겠습니다.
중성자별이란 무엇인가?
중성자별은 초신성 폭발 이후 남겨지는 초고밀도 천체입니다.
태양보다 수 배에서 수십 배 무거운 별이 폭발한 후, 남은 중심핵이 전자와 양성자가 결합하여 중성자로 이루어진 고밀도 덩어리로 붕괴된 상태입니다.
- 평균 반지름: 약 10~12km
- 평균 질량: 태양의 1.4배 정도
- 밀도: 1㎤당 10억 톤 이상, 원자핵 수준의 밀도
이처럼 작은 부피에 엄청난 질량이 들어 있으니, 그 안에 보존된 에너지와 물리적 현상은 극단적일 수밖에 없습니다.
중성자별의 자기장 — 어느 정도 강할까?
중성자별의 자기장은 대략 다음과 같은 수준으로 분류됩니다.
- 일반 중성자별: 10¹² ~ 10¹³ 가우스(Gauss)
- 마그네타(Magnetar): 10¹⁴ ~ 10¹⁵ 가우스
- 참고:
- 지구의 자기장: 약 0.5 가우스
- 태양 흑점의 자기장: 최대 4000 가우스
- MRI 자기장: 약 1만 가우스 수준
즉, 마그네타의 자기장은 지구 자기장의 1,000조 배 이상, 인간이 실험실에서 만든 어떤 자석보다도 수억 배나 강력합니다.
어떻게 그런 강력한 자기장이 생기는가?
중성자별의 자기장은 별이 초신성 폭발로 붕괴되면서 자기 보존 법칙에 따라 급격히 증폭된 결과입니다.
- 항성의 자기장이 별의 붕괴로 반경이 10만 분의 1로 줄어들며 자기선이 밀집
- 회전 속도가 급격히 증가해(수십~수백 번/초) 다이너모 효과(dynamo effect) 발생
- 초고밀도 상태에서 전도성 플라즈마가 지속적으로 강한 자기장을 유지
특히 마그네타의 경우, 핵 내부에서 **중성자 초유체(superfluid)**와 초전도체(superconductor) 상태가 자기장을 오히려 증폭시키며 유지하는 것으로 추정됩니다.
마그네타: 자기장이 만드는 우주의 괴물
‘마그네타(Magnetar)’는 1992년 이스라엘의 천체물리학자 로버트 덩컨과 크리스토퍼 톰슨이 처음 이론화한 천체입니다.
이들은 중성자별 중에서도 유난히 강한 자기장을 가진 별이 자기장 붕괴를 통해 엑스선(X-ray)과 감마선 폭발(GRB)을 방출한다고 보았습니다.
주요 특징:
- 매우 느린 회전(2~12초 간격)
- 고에너지 엑스선 플레어 및 감마선 버스트 발생
- 자기장의 급격한 변화로 표면 붕괴 및 “별지진(starquake)” 발생
▶ 가장 유명한 사례:
SGR 1806–20 (2004)
→ 태양이 15만 년간 방출할 에너지를 단 0.1초 동안 방출
→ 지구의 전리층에 영향을 줄 정도의 감마선 도달
어떻게 관측되나?
중성자별은 눈으로는 보이지 않지만, 매우 강한 전자기파(엑스선, 감마선)를 방출하므로 이를 통해 탐지할 수 있습니다.
- 엑스선 망원경 (Chandra, XMM-Newton 등)
- 감마선 우주망원경 (Fermi, INTEGRAL 등)
- FAST(중국), LOFAR(유럽), SKA(구축 중) 같은 전파망원경
또한 최근에는 중성자별의 자기장에 의해 발생하는 중력파 방출 가능성도 이론적으로 논의되고 있습니다.
2025년 현재 연구 동향
- NASA의 NICER 프로젝트: 중성자별 내부 밀도·자기장 구조 정밀 분석
- eXTP(중국-유럽 협력 우주 X선 망원경): 자기장 변화 감지 및 X선 편광 분석
- FAST 전파망원경: 마그네타 기반 반복형 FRB(Fast Radio Burst) 탐색 진행
- 중력파 탐지기(LIGO-Virgo-KAGRA): 마그네타 병합 시나리오 기반 연구 수행 중
특히 마그네타가 FRB와 연관이 있다면, 이는 우주 고에너지 물리학의 실마리를 풀 핵심 열쇠가 될 수 있다는 점에서 주목받고 있습니다.
맺으며
중성자별, 특히 마그네타는 단지 별의 잔해가 아니라, 자연이 만들어낸 가장 극단적인 물리 실험실입니다.
그 안에는 초전도, 초유체, 양자역학, 일반상대성이론, 입자물리학이 어우러진 복합적 세계가 존재합니다.
우주에서 가장 강한 자기장.
그것은 상상조차 어려운 힘이지만, 우리 과학은 지금 그것을 향해 한 걸음씩 다가가고 있습니다.