[아하! 우주] ‘초고광도’ 초신성 폭발, 수수께끼 풀렸다

관측 사상 최대 밝기를 기록한 수수께끼 천문현상이 마침내 규명됐다. 동반성에서 방출돼나온 물질로 고밀도 외층을 형성하던 별이 생애를 마감하는 폭발을 일으킴으로써 그런 놀라운 밝기로 빛나게 됐다고 과학자들이 밝혔다.

초신성 폭발은 태양의 10배 이상 되는 질량을 가진 거성이 연료를 모두 소진한 뒤 폭발로 별의 생을 끝내는 현상을 가리킨다. 여기에 초신성이란 말은 망원경이 없던 시대 갑자기 밝은 별이 나타났기에 붙은 이름으로, 사실 신성하고는 아무런 상관이 없는 늙은 별의 임종인 셈이다. 어쨌든 이때 내뿜는 별의 밝기 수준은 온 은하의 별들이 내뿜는 빛보다 더 밝아 우주의 반을 가로질러 우리에게도 보일 정도인 것이다.

​최근 과학자들은 이제껏 어떤 초신성 폭발보다 더 밝은 별의 폭발을 발견했는데, 여느 초신성 폭발보다 무려 100배나 높은 광도를 기록했다고 밝혔다. 이런 사례는 초신성 폭발 중 0.1%에 지나지 않은 것으로 알려졌다. 그러나 표준 메커니즘보다 훨씬 많은 에너지를 방출하는 ‘초고광도’ 초신성의 메커니즘은 자세히 밝혀지지 않는다. 이 특이한 폭발을 일으키는 원인에 대해 더 많은 것을 알아내기 위해 과학자들은 최초로 알려진 고광도 초신성 중 하나인 ‘SN 2006gy’를 중점적으로 관측했다. SN 2006gy는 2억4000만 광년 떨어진 한 은하에서 발생했으며, 2006년 발견됐을 때 관측 사상 가장 밝은 초신성으로 기록됐다.

SN 2006gy가 발견된 지 1년 남짓 만에 연구진은 해당 초신성에서 비정상적인 빛의 스펙트럼을 발견했다. 이들 연구자는 이 빛이 초신성 주변의 철 성분으로 형성된 외피에서 나온 것으로 추론해 폭발의 원인에 대한 단서를 밝혀냈다.

연구진은 다양한 질량과 온도, 응집 패턴 그리고 기타 특성을 가진 철제 외피에 의해 어떤 종류의 빛이 생성될 것인지에 관한 컴퓨터 모델을 개발했다. 그들은 SN 2006gy에서 볼 수 있는 빛의 파장과 에너지가 “태양 질량의 3분의 1 이상인 엄청난 양의 철에서 비롯된 것으로, 이 외피는 폭발시 시속 5400㎞로 팽창한다"고 연구 주저자인 독일 막스플랑크 천체물리연구소의 앤더스 저크스트랜드 박사는 밝혔다.

SN 2006gy의 초기 분석에 따르면, 거성이 연료를 소진한 후 초신성이 발생했으며, 별의 핵이 자체 무게로 1초 만에 엄청나게 조밀한 속심으로 붕괴하면서 그 반동으로 거대한 폭발이 일어나는 것으로 나왔다. 그러나 이런 '핵붕괴' 초신성은 새로운 연구에서 계산한 철제 외피의 초신성 폭발에서 나오는 에너지와 팽창률에는 훨씬 미치지 못한다는 사실이 밝혀졌다.

대신 새로운 발견과 일치하는 시나리오는 SN 2006gy가 이른바 Ia형 초신성이라는 것을 시사한다. 이 유형의 초신성은 연성계를 이루는 동반성이 초고밀도의 백색왜성으로 알려진 죽은 별 표면에 물질을 공급해 임계치에 이를 때 발생한다.

일반적으로 이런 연성계에서 백색왜성은 Ia형 초신성으로 폭발하기 전에 동반성의 중심을 향해 나선형으로 접근해가는 데 수백만 또는 수십억 년 걸릴 수 있다고 저크스트랜드 박사는 설명한다. 그러나 SN 2006gy에서 연구자들은 백색왜성이 빨려들어가기 시작한 지 약 1세기 안에 폭발했을 것이라고 보고 있다.

이에 대해 저크스트랜드 박사는 “이 초신성은 백색왜성의 동반별에서 방출된 고밀도의 외피에 충돌한 뒤 그 속에서 폭발했다”면서 “마치 벽돌 벽에 부딪히는 것처럼 초신성의 운동 에너지 대부분은 이 충돌에서 빛으로 변형되는 바람에 그처럼 강력한 빛을 낼 수 있었다”고 설명했다.

몇몇 다른 고광도 초신성은 SN 2006gy와 유사한 특성을 공유한다. 이런 유사성은 초고광도 초신성이 동일한 기본 메커니즘을 공유한다는 사실을 말해준다고 이들 연구자는 밝혔다.

앞으로 추가 연구는 그런 초고광도 초신성을 만들 수 있는 연성계가 어떻게 형성될 수 있는지 조사하는 것이다. 또 연구진은 동반성의 중심을 향한 나선 강하 후 약 1세기 정도 그런 시스템에서 어떻게 백색왜성으로부터 Ia형 초신성이 생겨날 수 있는가 하는 문제를 연구할 예정이다.

자세한 연구 성과는 세계적 학술지 ‘사이언스’ 24일자에 실렸다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com