우주가 금을 만드는 방법…중성자별 충돌의 ‘킬로노바 폭발’

[서울신문 나우뉴스]

두 개의 중성자별이 충돌하고 합쳐지는 ‘킬로노바(kilonova)’ 를 표현한 그래픽.(출처=Robin Dienel)

반지를 구성하는 금을 비롯해 보석, 원자력발전소의 연료로 사용되는 우라늄은 중성자별이라고 불리는 두 초밀도 별이 충돌할 때의 폭력적인 조건에서 생성된다.

중성자별들 사이의 충돌은 또한 중력파라는 시공간 파동과, 감마선 폭발이라고 하는 고에너지 방사선 폭발, 지구에서 감지할 수 있는 킬로노바라고 하는 빛의 섬광을 생성한다. 이러한 이벤트의 신호가 2017년 8월 17일에 감지되었다.

막스플랑크 중력물리학연구소와 포츠담 대학 연구원을 포함한 과학자 팀은 첨단 소프트웨어 도구를 사용하여 이 킬로노바 폭발의 특징을 분석한데다 다른 중성자별 폭발의 전파 및 X선 관측 데이터를 비롯해, 지구상의 입자 가속기에서 수행된 충돌 실험에서 얻은 핵물리학 계산 결과를 추가했다.

이러한 노력은 초고밀도의 죽은 별들이 서로 충돌하여 철보다 무거운 중원소를 생성할 수 있는 유일한 환경과 그 생성 과정을 과학자들로 하여금 보다 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

막스 플랑크 연구소 연구원인 중력 물리학 과학자 팀 디트리히는 “우리의 새로운 방법은 극도의 고밀도에서 물질의 특성을 분석하는 데 도움이 될 것이며, 또한 이를 통해 우주의 팽창과 중성자별 합병 중 중원소가 어느 정도 형성되는지 더 잘 이해할 수 있게 될 것”이라고 말했다.

극한 우주 실험실…중성자별 충돌

중성자별은 거대한 별이 핵융합을 위한 연료를 소진했을 때 탄생한다. 이로 인해 별의 외층이 방출되는 동안 핵이 빠르게 붕괴되어 태양 질량의 1~2배에 해당하는 약 20km 너비에 달하는 질량의 천체가 남게 되는데, 이것이 바로 중성자별이다.

결과적으로, 중성자별을 구성하는 물질은 너무 밀도가 높아서, 각설탕 한 개 크기의 덩어리가 엠파이어 스테이트 빌딩 3000개 또는 인류 전체의 무게와 맞먹을 정도의 질량이다. 이 죽은 별 물질에는 중성자가 풍부한데, 이 중성자들은 일반적으로 양성자와 함께 원자핵 안에 갇혀 있다.

중성자별이 충돌하면 중성자가 풍부한 물질이 분사되어 우주로 방출된다. 이는 다른 원자에 의해 빠르게 흡수될 수 있는 자유 중성자로 가득 찬 환경을 조성하여 주기율표의 한계를 넘어서는 매우 무거운 원소를 생성한다. 과학자들은 이를 ‘신속 포획 과정’ 또는 ‘r-과정’이라고 부른다.

킬로노바 폭발을 일으키는 중성자별 간의 충돌 수치 시뮬레이션. 출처=I. Markin (University of Potsdam)

이들 원소는 불안정하여 금이나 우라늄 같은 안정적인 중원소로 붕괴된다. 이러한 붕괴는 킬로노바 섬광을 형성하는 빛인 전자기 복사의 방출을 동반한다. 이는 중성자별 합병 후에 발생하는 킬로노바를 연구하는 것이 가장 무거운 별의 중심부에서도 생성될 수 없는 철 이외의 중원소를 생성하는 물리적 과정을 이해하는 독특한 경로임을 의미한다.

지금까지 수축 쌍성계에서 중성자별의 합병은 단 한 번만 중력파와 전자기 방출에 기록되었다. W170817로 명명된 이 사건은 지구에서 1억 3000만 광년 떨어진 곳에 위치한 두 중성자별이 충돌하면서 발생했으며, 서로 소용돌이치고 합쳐지면서 2017년 지구에서 발견된 신호를 생성했다.

팀은 소프트웨어를 사용하여 충돌하기 전 서로 주위를 도는 중성자별의 마지막 몇 개의 나선에서 나오는 중력파를 비롯해, 충돌이 발생하면서 발사되는 감마선 폭발, 그리고 합병이 발생한 후 며칠에서 몇 년 사이 별에서 방출되는 킬로노바 방출로 구성된 이 사건의 모델을 만들었다. 이를 통해 팀은 1억 3000만 년 전에 발생한 중성자별 합병 중에 발생한 일을 정확하게 자세히 설명할 수 있었고, 이 합병은 금과 우라늄 기타 중원소로 주변 환경을 풍부하게 했을 것이다.

팀이 개발한 모델이 다른 중성자별이 충돌할 때 발생하는 사건을 자세히 설명하는 데 사용하기에 적합해야 한다는 것은 말할 필요도 없다. 이번 조사는 미국의 LIGO와 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA 중력파 탐지기가 향후 관측작업에 앞서 업그레이드를 받음에 따라 더욱 강화될 것으로 기대되는데, 그러면 중성자별 충돌로 인해 발생하는 시공간에서 더 많은 파문을 듣게 될 것이다.

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com