[과학을 읽다]초신성 폭발…새로운 사실 밝혀졌다

국내 연구팀, 백색왜성과 보통별 상호작용으로도 폭발 가능성 관측증거 제시

▲적색거성의 가스를 백색왜성이 흡수(a), 주계열성의 가스를 백색왜성이 흡수(b)하면서 초신성 폭발이 일어난다. 두 개의 백색왜성의 충돌(c)로 초신성 폭발이 일어난다는 모델이다.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 하늘을 올려다보던 사람들이 갑자기 괴성을 지릅니다. 전에는 보이지 않던 엄청 밝은 별이 나타났던 것이죠. 이들은 이 별을 '새로운 별' 즉 신성([新星)이라 불렀습니다. 며칠 뒤 이 별은 사라졌습니다. '새로운 별'이 아니라 사실은 별이 폭발하는 순간이었던 것이죠. 초신성이란 이름은 이렇게 탄생했습니다.

국내 연구팀이 초신성 폭발에 대한 새로운 원리를 규명해 관심을 모으고 있습니다. 쌍으로 이뤄진 별 중 하나가 나머지 다른 별의 물질을 받아들이면서 폭발하는 것이 제1a형 초신성의 특징입니다. 이번에 국내 연구팀이 밝혀낸 사실은 백색왜성이 보통별과 상호작용으로도 폭발이 일어난다는 것을 관측했습니다.

압축돼 있는 백색왜성이 보통별(태양 크기)의 가스를 계속 빨아들이면서 백색왜성이 폭발한다는 것이죠. 이때 주변의 보통별은 그대로 살아남을 수도 있고 상호작용으로 다른 곳으로 튕겨나갈 수도 있다고 합니다. 백색왜성과 보통별의 상호작용 과정이 구체적으로 어떻게 되는지는 추가 연구가 필요한 부분입니다.

초신성(supernova)은 진화의 마지막 단계에 이른 별이 폭발하면서 그 밝기가 평소의 수억 배에 이른 별을 말합니다. 쌍으로 이뤄진 별 중 하나가 나머지 다른 별의 물질을 받아들여 폭발할 때 제1a형 초신성이라고 하죠. 제1a형 초신성은 백색왜성이 쌍으로 존재하는 적색거성의 물질을 급격히 흡수하면서 일어납니다.

적색거성은 항성이 백색왜성으로 변하기 전에 거치는 진화단계를 말합니다. 항성 중심에서 벗어난 지역에서 만들어진 많은 에너지가 별 대기에 전달되면서 항성대기가 매우 부풀어 오르는 현상입니다. 태양 직경의 수백 배 수준으로 매우 크게 변합니다. 태양도 앞으로 약 50억 년이 지나면 적색거성이 됩니다. 이 때 태양 크기는 화성의 공전궤도에 미칠 정도로 커질 것으로 예상되고 있습니다.

그동안 제1a형 초신성은 백색왜성이 쌍으로 존재하는 적색거성의 물질을 급격히 흡수하면서 일어난다고 받아들여져 왔습니다. 다른 방식의 폭발 가능성도 제시돼 지난 수십 년 동안 논쟁이 이어졌습니다. 제1a형 초신성의 폭발 메커니즘은 폭발 순간에 일어나는 섬광현상으로 확인할 수 있습니다. 섬광은 초신성이 폭발할 때 발생하는 충격파가 함께 있는 별(동반성)과 충돌하면서 빛을 내는 현상입니다. 동반성의 크기가 클수록 더 밝습니다.

적색거성과 백색왜성으로 이뤄진 초신성 폭발의 섬광은 태양과 같은 보통별에 비해 수십 배 이상 더 밝죠. 이런 섬광현상은 짧게는 수 시간에서 길게는 수 일 밖에 지속되지 않기 때문에 포착하기가 매우 어렵습니다. 연구팀은 세계 각지에 있는 망원경을 이용해 가까운 은하 수십 개에 대해 매일 수차례 씩 모니터링 탐사관측을 수행했습니다.

이 과정에서 호주에 설치된 '이상각 망원경'을 이용해 지구로부터 8000만 광년 떨어진 있는 은하(NGC 2442)에서 지난 3월8일 제1a형 초신성(SN 2015F)의 폭발의 순간과 섬광현상 포착에 성공했습니다. 이 섬광의 밝기를 통해 폭발한 백색왜성의 동반성 크기가 태양과 비슷한 보통별임을 알아냈습니다.

연구팀은 제1a형초신성 SN 2015F의 폭발이 '백색왜성-적색거성'이 아니라 '백색왜성-보통별'의 상호작용에 의한 것임을 알아냈습니다. 이번 관측 사실은 그동안의 초신성 폭발 이론에 또 다른 방법을 제시한 겁니다.

임명신 서울대 물리천문학부 교수 연구팀이 이번 연구를 수행했습니다. 연구결과는 천문학분야 학술지인 천체물리학저널 증보(The Astrophysical Journal Supplement Series) 11월 20일자 온라인판(논문명: The Very Early Light Curve of SN 2015F in NGC 2442: A Possible Detection of Shock-heated Cooling Emission and Constraints on SN 1a Progenitor System)에 실렸습니다.

임 교수는 "이번 발견으로 제1a형 초신성의 생성 원리가 백색왜성과 보통별의 상호작용으로 발생 가능하다는 것을 제시했다"며 "그 동안 교과서에 소개된 내용에 대한 수정이 필요하다"고 설명했습니다.

▲제1a형 초신성 SN 2015F가 나타난 NGC 2442 은하 모습. NGC 2442는 약 8000만 광년 떨어진 곳에 있는 나선은하이며 지구 남반구에서만 관측이 가능하다. 그림에서 노란색 박스로 표시된 부분에서 초신성 폭발이 있어났다.[사진제공=미래부]

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr