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- 빅뱅 직후, 우주에는 수소와 소량의 헬륨, 리튬만 존재
- 역사상 가장 강력한 감마선 폭발 중 하나가 2004년 12월 27일에 발생
- 0.5초 만에 태양이 25만 년 동안 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지를 방출
- 2004년 폭발 잔광에서 테크네튬, 몰리브덴, 이테르븀, 스트론튬, 루비듐과 같은 중원소에서 나온 방사성 방사선 신호 발견

우주에서 금 생성지 발견
마그네타에서 발생하는 극한 복사 폭발에서도 중원소(重元素)가 생성된다.

오래된 원소 수수께끼에 대한 새로운 해답:
천문학자들은 우주에서 금, 백금, 그리고 다른 중원소들의 또 다른 근원을 발견했다. 이들의 기원은 지금까지 천문학의 가장 큰 미스터리 중 하나였다. 이제 일부 중원소가 우주에서 가장 강력한 자석인 마그네타에서 유래했을 가능성이 밝혀졌다. 천문학자들은 이러한 중성자별의 거대한 폭발에서 이러한 원소들이 합성되었다는 증거를 발견한 것이다. 이 단 한 번의 폭발만으로도 금, 백금, 그리고 화성 질량의 다른 원소들이 생성되었다. 

▲ 마그네타의 지각이 파열되면 대량의 고에너지 방사선과 중성자가 방출되어 금과 백금과 같은 무거운 원소가 생성된다. © NASA/ 고다드 우주 비행 센터, S. Wiessinger

빅뱅 직후, 우주에는 수소와 소량의 헬륨, 리튬만 존재했다. 다른 모든 원소는 초기 별의 핵융합, 초신성 폭발, 그리고 다른 항성 생성 과정을 통해 생성되었다. 금, 백금, 희토류 금속, 그리고 다른 거대한 원자들을 포함한 주기율표의 중금속들은 다른 방식, 즉 빠른 중성자 포획을 통해 형성되었을 것이다. 그러나 이 소위 r-process(r-과정)은 높은 중성자 밀도를 생성하는 훨씬 더 강력한 사건에서만 발생한다.
*r-process: 높은 중성자 밀도 및 높은 온도를 지닌 방사성 물질의 중성자 포획 과정이다. R 은 영어 rapid(빠른)를 나타낸다.

이러한 사건의 본질과 우주의 어느 곳에서 이 r-과정이 발생하는지는 부분적으로만 이해되고 있다. 이러한 킬로노바(Kilonova) 폭발의 잔광에서 나타나는 분광 특징에서 알 수 있듯이, 일부 원소는 중성자별 충돌을 통해 생성된다. 그러나 이러한 드문 사건만으로는 우주에 존재하는 중금속의 총량을 설명하기에 충분하지 않다. 더욱이 이러한 충돌은 우주 역사에서 비교적 후기에 발생했했다.

따라서 우주에는 금, 백금, 그리고 다른 원소들의 다른 "공장"들이 존재해야 한다. 그렇다면 어떤 공장들이 있을까?

마그네타의 거대 폭발

뉴욕 컬럼비아 대학교의 아니루드 파텔(Anirudh Patel)이 이끄는 천문학자들은 이 질문에 대한 답을 찾았을지도 모른다. 바로 역사상 가장 강력한 감마선 폭발 중 하나다. 이 폭발은 2004년 12월 27일에 발생했으며, 0.5초 만에 태양이 25만 년 동안 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지를 방출했다. 이 폭발의 근원은 3만 광년 이상 떨어진 곳에 있는 매우 강력한 자기장을 가진 중성자별인 마그네타였다.

▲ 2004년 SGR 1806-20에서 관측된 마그네타 거대 플레어 이후의 고에너지 방출의 세 단계를 보여주는 개략도. ≲1초의 즉각적인 감마선 스파이크와 중성자별 회전 주기에 따라 변조된 몇 분 길이의 맥동 X선 꼬리 이후, 세 번째 방출 단계가 부드럽게 진화하는 MeV 성분의 형태로 관찰되었다(S. Mereghetti et al. 2005; S. E. Boggs et al. 2007; D. D. Frederiks et al. 2007). 이 지연된 MeV 방출은 t ≈ 600~800초에 걸쳐 최대 광도에 도달한 후 부드럽게 감소하여 몇 시간 후 계측 배경 아래로 사라졌다(부록. (a)에 나타난 중입자 방출의 메커니즘은 불확실하지만, 자기 재결합 과정에서 방출되는 에너지에 의한 중성자별 껍질의 충격 가열(C24)은 하나의 가능성으로, 이는 자연스럽게 스핀 변조된 X선 꼬리와, 본 논문에서 논의하는 바와 같이 새롭게 합성된 방사성 r-과정 물질에서 발생하는 지연된 감마선을 모두 초래할 것이다. 우리는 방출을 적도 방향으로 설명했지만, 자기 축과 스핀 축에 대한 질량 방출의 방향은 불확실하다. (출처:관련논문 Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare / Published 2025 April 29 · © 2025. The Author(s). Published by the American Astronomical Society)

이러한 거대 플레어는 내부 진동과 난류가 중성자별의 껍질을 찢어내면서 중성자가 풍부한 특이한 물질을 내부에서 고속으로 분출할 때 발생한다. 현재까지 우리 은하와 대마젤란운에서는 이러한 마그네타 폭발이 세 번, 다른 은하에서는 일곱 번만 관측되었다.

감마선의 원소 "지문"

파텔과 그의 동료들은 연구를 위해 ESA의 INTEGRAL 우주 망원경과 다른 위성에서 관측된 2004년 폭발 데이터를 면밀히 조사했다. 그들은 잔광에서 테크네튬, 몰리브덴, 이테르븀, 스트론튬, 루비듐과 같은 중원소에서 나온 방사성 방사선 신호를 발견했다. 루이지애나 주립대학교의 공동 저자인 에릭 번스는 "이 신호는 이전에도 감지되었지만, 당시에는 그 이면에 무엇이 있는지 아무도 알지 못했다"고 말했다.

파텔과 그의 팀은 이 신호를 모델과 비교한 후에야 이 미스터리를 풀 수 있었다. 파텔은 "우리 은하에서 관측된 가장 밝은 폭발 중 하나가 엄청난 양의 중원소를 생성했다는 증거를 발견했다"고 보고했다.

▲ 극도로 강한 자기장을 가진 중성자별은 극심한 방사선 폭발을 생성할 수 있다. © NASA/JPL-Caltech

단 몇 분 만에 지구 질량의 0.3배에 달하는 금 등을 생성

2004년 발생한 이 단일 마그네타 폭발만으로도 단 몇 분 만에 지구 질량의 약 0.3배에 달하는 중원소가 생성되었는데, 이는 화성의 질량과 거의 맞먹는 양이다. 천문학자들은 "이 단일 거대 플레어는 매우 풍부해서 이런 유형의 폭발이 지구 전체 중원소의 상당 부분을 생성할 수 있는 경우는 거의 없었을 것"이라고 말했다. 우리 은하에서 금, 백금, 그리고 원자 번호 90 이상의 다른 원소의 최대 10%가 마그네타 플레어에 의해 생성되었을 가능성이 있다.

번스는 "이 발견은 천문학에서 수 세기 동안 제기되어 온 의문 중 하나에 대한 해답을 제시하고 오랜 미스터리를 해결한다”고 말했다. 마그네타 폭발을 통해 천문학자들은 중성자별 충돌 이후 우주에 두 번째 "금 공장"이 존재함을 알게 되었다. 마그네타는 우주 역사 초기에 존재했기 때문에 최초의 중원소 중 일부가 어디에서 유래했는지 설명할 수도 있다.

"제 휴대폰과 노트북에 있는 물질 중 일부가 그렇게 극심한 우주 폭발에서 나왔다는 사실을 알게 되어 정말 기쁘다"고 파텔은 말했다. 그와 그의 팀은 이제 자기 플레어에서 얻은 다른 관측 데이터에서 이 원소 생성의 흔적을 찾고자 합니다. (The Astrophysical Journal Letters, 2025; doi: 10.3847/2041-8213/adc9b0)
출처: NASA, 컬럼비아 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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