별은 어떻게 최후를 맞이할까?
별의 죽음에는 많은 비밀이 숨어있다. 2012년 천문학자인 에드 샤야(Ed Shaya)는 케플러 우주 망원경(Kepler space observatory)의 데이터를 검토하다 흥분감에 휩싸였다. 한 은하의 밝기가 10%정도 빠르게 밝아지는 현상을 발견한 것이다. 만약 컴퓨터 문제나 기타 오류가 일어난 것이 아니라면, 이는 거대한 별의 죽음, 바로 초신성폭발(Supernova)를 발견한 것이었다.
초신성폭발은 우주의 진화와 미래에 대한 많은 정보를 제공한다. 먼 옛날 초신성폭발이 없었다면 우리 지구와 그 곳에 살고있는 인간은 존재하지 못하였을 것이다. 초신성은 우주의 다양한 물질을 만들어낸다. 이러한 초신성을 알아내기 위해서는 다양한 관측이 필요하다. 문제는 그것이 쉽지 않다는 것이다. 언제, 어디서, 어떻게 초신성폭발이 발생할 지 그 누구도 알지 못한다.
케플러 우주 망원경은 이러한 문제점을 어느정도 해소해 주었다. 외계행성탐사로 유명한 케플러 망원경은 "골드락스 행성(생명체 거주 가능 행성)"의 탐사를 위해 일정한 공간을 오랜 시간동안 관측한다. 이러한 특징은 초신성폭발처럼 급격한 우주의 변화를 포착할 수 있게 해준다.
사실 에드 샤야의 연구팀은 케플러 우주 망원경을 이용해 초신성폭발을 관측할 계획이 아니었다. 그들은 케플러 우주 망원경을 이용해 활동성 은하 안의 거대 블랙홀을 연구 중이었다. 그들은 연구 초기 초신성탐사에 대한 논의도 하였지만, 워낙 희귀한 현상이라 배제하고 있었다. 하지만 그들은 400여개 이상의 은하를 관측한 케플러 데이터를 이용하여 5개 이상의 초신성을 발견하였다.
오늘날 천문학자들은 초신성폭발을 연구하기 위해 케플러 행성탐사 프로젝트를 활용하고 있다. 지금까지 그들은 케플러 우주 망원경을 이용하여 20여개 이상의 초신성폭발을 발견하였다.
초신성폭발의 가장 큰 수수께끼는 별이 어떻게, 그리고 왜 서로 다른 방식으로 폭발하는 지에 대한 것이다. 초신성은 크게 백색왜성이 폭발하는 현상(Type Ⅰa)과 거대한 별이 더이상 에너지를 만들지 못하고 중력에 의해 붕괴되는 현상(Type Ⅱ)으로 나뉜다. 물론 그 외에도 다양한 초신성폭발 현상이 존재한다. (초신성 Type은 화학성분과 스펙트럼특징에 의해 나누어진다.)
특히 Type Ⅰa는 특별하다. 백색왜성이 동반성의 물질을 흡수하다 태양의 1.4배의 질량을 갖을 때 폭발하는 이 현상은 절대 밝기가 거의 동일하다. 천문학에서는 이를 표준촛불(표준촉광,standard candle)이라 한다. 표준촛불을 이용하면 절대 밝기와 상대 밝기 차를 이용하여 천체까지의 거리를 알아낼 수 있다.
천문학자들은 이를 이용해 우주의 팽창을 측정했으며, 멀리 있는 초신성이 예상보다 덜 밝다는 사실을 발견하였다. 이는 우리가 예상한 거리보다 훨씬 멀리 떨어져 있음을 뜻한다. 우주가 "가속팽창"한다는 증거를 발견한 것이다. 이 발견은 2011년 노벨상 수상의 영광을 얻게 된다.
하지만 이번 케플러 우주 망원경의 관측을 통해 또 다른 사실이 발견되었다. Ⅰa형 초신성이 모두 같지 않다는 사실을 알아낸 것이다. 흔히 Ⅰa형 초신성은 위에 이야기한 것과 같이 동반성의 물질을 흡수한 백색왜성에 의해 일어난다고 알려졌지만, 두 백색왜성의 합병에 의해서도 발생하다는 사실이 발견된 것이다.
Ⅰa형 초신성폭발, 백색왜성이 동반성의 물질을 흡수하여 발생한다. (출처: NASA)
Ⅰa형 초신성의 또다른 형태, 두 백색왜성의 합병으로 발생한다.
"중심핵 붕괴(core collapse)"현상은 하나의 거대한 별이 붕괴될때 발생한다. Ⅱ형 초신성은 요한네스 케플러(Johannes Kepler, 1571~1630)에 의해 광학적으로 관측된 초신성폭발로 "충격 방출(shock breakout)"이라는 독특한 충격파를 나타낸다. 문제는 케플러 우주 망원경의 데이터 중에는 충격파를 방출하지 않는 Ⅱ형 초신성도 존재한다는 것이다. KSN2011a라는 작은 초신성은 태양의 300배 질량의 별이 폭발한 현상으로 놀랍게도 충격파가 발견되지 않았다. 또한 약 2일만에 최대 밝기로 도달했으며, 이는 다른 것보다 10배 빠른 현상이다. Ⅱ형 초신성도 다양한 종류가 존재한다는 증거이다. 천문학자들은 KSN2011a가 폭발이 일어나기 1년 전에 밀도가 높은 가스를 뿜어 내었을 것이라고 추측한다. 밀도 높은 가스와 초신성의 상호작용에 의해 이러한 현상을 설명할 수 있다.
Ⅱ형 초신성폭발, 거대한 별이 중력붕괴를 일으켜 발생한다.
Ⅱ형 초신성의 또다른 형태, 가스먼지와 초신성의 상호작용이 발생한다.
별의 죽음은 우주의 진화을 말한다. 별의 죽음이 없었다면 현재 다양한 물질로 이루어진 우주는 만들어지지 못하였을 것이다. 또한 천문학자들은 별의 죽음을 이용해 우리 우주의 미래를 예측한다. "암흑에너지"에 의해 가속팽창하는 우주는 언젠가 텅 비고 절대영도까지 얼어붙은 최후를 맞이할 것이다. 만약 이러한 암흑에너지를 극복할 방법을 찾는다면 이 역시도 별의 죽음 속에 그 힌트가 담겨져 있을 것이다.
2009년 우주로 올라간 케플러 우주 망원경은 요한네스 케플러가 초신성을 관측하고 연구하였듯이, 현재도 우주의 비밀을 풀어내기 위해 먼 하늘을 바라보고 있다.
출처 : NASA
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