중성자별 충돌, 감마선은 0.5초였지만 X선은 10분 동안 빛났다

중성자별 충돌은 대개 2초 미만으로 자신을 알린다. 감마선이 한 번 치솟고, 이어지는 잔광(殘光)이 점차 사그라든다. 60억 광년 떨어진 한 충돌은 0.5초도 안 되는 동안 그 대본을 따랐다. 그러고는 조용해지지 않고 거의 10분 동안 X선을 쏟아냈다.

중국 아인슈타인 탐사선(Einstein Probe) 위성이 전 과정을 포착했으며, 이는 중성자별 합병에서 기록된 즉발 X선 섬광 중 가장 오래 지속된 사례다. 이 연구를 수행한 국제팀(저널 Science Bulletin 표지 기사)은 추가로 나타난 수 분이 충돌 직후 남은 잔해에서 비롯되었다고 주장한다. 가장 유력한 원인으로 지목되는 것은 마그네타(magnetar), 즉 갓 태어난 중성자별이 빠르게 자전하며 강력한 자기장으로 폭발에 에너지를 계속 공급한 경우다. 이 가설이 맞다면, 감마선 관측소들은 지금껏 이런 충돌의 첫 박자만 잡아온 셈이다.

이 발견은 단일 사건을 넘어 중요하다. 중성자별 합병은 우주에서 금과 백금 같은 무거운 원소가 만들어지는 현장이며, 시공간을 흔들어 지구의 중력파 검출기가 감지할 수 있을 만큼 강력한 파동을 만든다. 충돌 후 남는 것이 블랙홀이냐, 초자화 중성자별이냐에 따라 물리학자들은 물질이 중력에 굴복하기 전까지 얼마나 더 압축될 수 있는지 알게 된다.

0.5초 폭발이 10분으로 바뀐 과정

이 사건은 X선으로는 EP250704a, 감마선으로는 GRB 250704B라는 두 이름을 갖고 있다. 세 대의 우주선이 동시에 관측했기 때문이다. 중국-프랑스 공동 SVOM 임무와 중국 Insight-HXMT 관측소는 감마선 섬광을 기록했고, 아인슈타인 탐사선의 광시야 X선 망원경(Wide-field X-ray Telescope)은 같은 지점을 부드러운 저에너지 X선으로 지켜봤다.

대부분의 X선 망원경은 시야가 좁아 감마선 검출기가 경보를 울린 후에야 폭발 쪽으로 방향을 돌리기 때문에, 가장 초기의 X선은 보통 도착하기 전에 사라진다. 아인슈타인 탐사선은 가재눈(lobster-eye) 광학계를 사용해 넓은 하늘 영역을 지속적으로 응시하는데, 덕분에 충돌이 발생했을 때 이미 그 자리를 보고 있었다.

“처음에는 평범한 짧은 감마선 폭발(short GRB)처럼 보였습니다. 0.5초 미만의 밝은 섬광을 냈죠.” 당시 임무의 과도현상 담당자(transient advocate)로 근무했던 베이징사범대학 박사과정생 안리(An Li)는 말했다. “그런데 사라지지 않고, 연X선을 거의 10분 동안 계속 방출했습니다.”

근원을 특정하기 위한 경쟁은 로마 토르 베르가타 대학교 엘레오노라 트로야(Eleonora Troja) 그룹의 대학원생 니콜로 파살레바(Niccolò Passaleva)에게 돌아갔다. “기차로 집에 가는 중이었는데, 갑자기 노트북으로 세계 최대 망원경 중 하나를 급히 확보해야 했습니다.” 그는 말했다. 불과 몇 분 만에 칠레에 있는 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT)이 희미해져 가는 잔광을 향해 조준되었다.

VLT의 X-슈터(X-Shooter) 분광기가 빛을 구성 색상으로 나누었고, 흡수선을 통해 적색편이 0.661을 얻었다. 이는 팽창하는 우주가 그 빛을 얼마나 늘렸는지를 나타내는 값으로, 폭발이 60억 광년 이상 떨어진 곳에서 일어났음을 의미한다. 즉 태양과 행성들이 생기기 전에 발생한 사건이다.

죽어가는 항성이 아니었던 이유

긴 X선 섬광 자체는 새로운 현상이 아니다. 수명을 다한 거대 항성이 붕괴할 때도 오래 지속되는 폭발이 일어나며, 그 죽음에는 초신성이 동반된다. 연구팀은 VLT의 FORS2 카메라를 이용해 모은하의 깊은 영상에서 초신성을 찾았지만, 아무것도 발견하지 못했다.

거리, 초신성 부재, 그리고 폭발 자체의 특성은 모두 중성자별과 블랙홀을 아우르는 용어인 ‘밀집 천체의 합병’을 가리킨다. X선 또한 교과서적인 그림으로는 설명할 수 없는 양상을 보였다. 잔해로 물질이 떨어지면서 생기는 날카로운 섬광 이후 팽창하는 폭발파가 부드럽게 사그라지는 잔광을 내는 대신, X선은 깜빡이며 수 분 동안 스펙트럼이 변했다. 연구팀에 따르면 이러한 패턴은 중심 엔진 자체가 감마선이 멈춘 후에도 오랫동안 작동했음을 의미한다.

“한 가지 그럴듯한 설명은 합병으로 인해 빠르게 회전하고 강하게 자화된 중성자별, 즉 마그네타이 생성되어 연장된 X선 방출을 일으키고 계속 에너지를 주입했다는 것입니다.” 고에너지 방출 분석을 주도한 홍콩대학교 박사과정생 이한 아이리스 인(Yi-Han Iris Yin)이 말했다.

0.4초 감마선, 560초 X선

이 숫자들은 왜 천문학자들이 이 단계를 계속 놓쳐 왔는지 설명한다. 감마선 섬광은 약 0.4초 지속되었고, 연 X선은 약 560초(약 1,400배) 지속되었다. 이전 연구들은 짧은 감마선 폭발의 약 30%가 엔진 구동형 X선 단계(약 100초)를 숨기고 있을 것이라고 잔광 소멸 속도를 바탕으로 추정했지만, 직접 관측된 사례는 없었다. 이번 사례는 그 추정치보다 5배 이상 길었다.

“이 오래 지속되는 방출은 상당한 에너지를 지녔지만, 스펙트럼이 너무 부드러워서 이 전형적인 우주론적 거리에 있는 폭발의 경우 기존 감마선 장비(예: 스위프트의 폭발 경보 망원경)의 검출 한계 아래에 머물렀을 것입니다.” 난징대학의 빈빈 장(Bin-Bin Zhang) 공동 교신저자는 말했다. 다시 말해, 이전 임무들은 평범한 0.5초 폭발로 기록했을 것이라는 뜻이다.

마그네타은 그런 행동과 잘 맞아떨어진다. 중성자별은 태양보다 더 많은 질량을 도시 크기인 약 20km 공에 압축한 것이며, 마그네타의 자기장은 보통 중성자별보다 약 1,000배 더 강하다. “마그네타은 빠르게 자전하는 중성자별로 거대한 자기장을 지녔습니다. 자기력을 주변에 방출하면 어떤 폭발이라도 더 밝고 오래 지속시킬 수 있습니다.” 이 논문의 교신저자 중 한 명인 트로야는 말했다. “이번 사건의 X선 데이터를 봤을 때, 뭔가 특별하다는 걸 깨달았습니다.”

해결되지 않은 점

마그네타은 해석이지 관측 결과는 아니다. 연구자들은 이 설명을 가장 그럴듯하다고 부르며, 논문 제목 자체도 조심스럽게 ‘밀집 천체 합병’이라고만 적고 구체적인 쌍을 명시하지 않았다. 중성자별과 블랙홀의 충돌도 그 용어에 포함된다.

이 문제를 해결할 중력파 신호는 없다. 60억 광년 거리에서는 오늘날 검출기가 잡을 수 있는 범위(중성자별 합병은 수억 광년 이내)를 훨씬 벗어난다. 합병의 증거는 초신성 부재와 폭발의 특성에 의존하는데, 강력하지만 간접적이다.

또한 단일 사건이다. 이전 후보들은 너무 빨리 사그라져 분석할 수 없었기 때문에, 얼마나 많은 짧은 폭발이 X선 단계를 숨기고 있는지, 혹은 얼마나 많은 폭발이 블랙홀 대신 마그네타을 남기는지는 아직 알려지지 않았다. 연구팀은 이 현상이 흔할 것으로 추정하지만, 더 많은 표본이 있어야 확인할 수 있다.

중성자별 합병과 마그네타에 관한 자주 묻는 질문

마그네타이란 무엇인가?

마그네타은 극단적인 자기장(보통 중성자별보다 약 1,000배 강함)을 지닌 중성자별이다. 젊은 마그네타은 빠르게 자전하며 자기 에너지를 잃으면서 주변에 동력을 공급해 폭발을 더 밝고 오래 지속시킬 수 있다.

짧은 감마선 폭발이란 무엇인가?

짧은 감마선 폭발은 2초 미만 지속되는 고에너지 방사선 섬광이다. 대부분 두 중성자별 사이의 충돌이나 중성자별과 블랙홀의 충돌에서 비롯된 것으로 생각된다. 긴 폭발은 보통 거대 항성의 붕괴에서 오며 초신성이 동반된다.

이 중성자별 충돌은 얼마나 멀리 있었나?

빛이 지구에 도달하는 데 60억 년 이상 걸렸다. 연구팀은 초거대망원경의 X-슈터 분광기로 적색편이 0.661을 측정했으며, 이는 폭발이 태양과 행성들이 형성되기 전에 일어났음을 의미한다.

아인슈타인 탐사선이란 무엇인가?

아인슈타인 탐사선은 중국이 주도하고 유럽우주국(ESA)과 독일 막스 플랑크 외계물리학 연구소 등이 참여한 X선 우주 망원경이다. 광시야 망원경으로 연 X선 영역에서 넓은 하늘을 스캔하며 먼 은하들로부터 수백 건의 짧은 X선 섬광을 검출했다.

다음 단계

이 사건은 2025년 7월 4일에 탐지되었으며, 논문은 2026년 Science Bulletin에 실렸다. 2024년 1월부터 궤도에 있는 아인슈타인 탐사선은 계속 하늘을 스캔하고 있으며, 거리가 측정된 새로운 빠른 X선 섬광이 나올 때마다 연구팀이 필요한 표본이 늘어난다.

더 큰 목표는 중력파와의 일치다. 2017년 중성자별 합병이 처음으로 중력파와 빛으로 동시에 관측된 이후, 천문학자들은 그 파문과 함께 오는 신호를 찾고 있다. “차기 중력파 관측 라운드가 정말 기대됩니다. 그때쯤이면 이런 X선 섬광 중 하나를 같은 근원에서 나온 중력파 폭발과 짝지을 수 있을 테니까요.” 파살레바는 말했다. 더 가까운 합병이 두 방식으로 포착되면 충돌 후 정확히 무엇이 남는지 밝혀질 것이다.

참고문헌: Li, Wang, Passaleva, An et al., “Minutes-long soft X-ray prompt emission from a compact object merger,” Science Bulletin, 2026. DOI: 10.1016/j.scib.2026.08.021

태그: Very Large Telescope, Einstein Probe, Eleonora Troja, 감마선 폭발, 마그네타, 중성자별