호랑이는 죽어서 가죽을 남기고 초신성은 폭발해서 ‘이것’을 남긴다 [아하! 우주]

[서울신문 나우뉴스]

초신성 SN 1987A의 잔해. Credit: Hubble Space Telescope WFPC-3/James Webb Space Telescope NIRSpec/J. Larsson

초신성은 태양보다 8-10배 정도 무거운 별이 마지막 순간에 폭발하는 현상이다. 이때 엄청난 에너지가 방출되어 초신성 하나의 밝기가 은하 전체의 밝기와 맞먹는 경우도 있다.

초신성 폭발이 중요한 이유는 우주에 있는 무거운 원소를 대량으로 공급하는 공장 역할을 하기 때문이다. 초신성 폭발 없이는 산소나 탄소보다 무거운 원소가 만들어질 수 없고 지구나 지구에서 살아가는 생명체도 만들어지지 못했을 것이다.

그래서 과학자들은 초신성 폭발의 과정과 폭발 후 물질이 방출되는 과정을 알아내기 위해 많은 연구를 해왔다. 이 가운데 1987년 가장 밝은 초신성 폭발을 일으킨 SN 1987A은 많은 관측이 이뤄진 초신성 잔해로 유명하다.

이 초신성의 잔해는 우리 은하의 위성 은하인 대마젤란 은하에 있다. 거리는 16.8만 광년으로 인간의 척도로 보면 매우 멀지만, 사실 지구에서 관측할 수 있는 초신성 잔해 중 가까운 편에 속한다.

과학자들은 SN 1987A의 잔해에서 무거운 물질이 우주로 어떻게 퍼지는지 1987년부터 꾸준히 관측해 왔다. SN 1987A의 잔해는 현재 초속 1만km의 엄청난 속도로 팽창하면서 소용돌이와 눈동자가 합쳐진 듯한 독특한 모양을 만들고 있다. (사진)

하지만 여전히 많은 물질이 중심부에 남아 있는데, 여기에는 폭발하고 남은 별의 중심 물질이 뭉쳐져 만든 중성자별이 존재할 것으로 보고 있다. 호랑이가 죽어서 가죽을 남기듯 초신성은 중성자별이나 블랙홀을 남기기 때문이다.

과학자들이 자신 있게 중성자별이 있다고 말하지 못하는 이유는 두꺼운 가스와 잔해로 인해 직접 관측한 적이 없기 때문이다. 과학자들은 1987년 엄청난 양의 중성미자 (뉴트리노)를 검출하면서 이론적으로 중성자별의 탄생을 예측했다. 하지만 허블 우주 망원경으로도 두꺼운 잔해 속에 숨어 있는 중성자별을 직접 관측할 수는 없었다.

2019년 영국 카디프 대학의 연구팀은 가장 강력한 지상 전파 망원경인 ALMA를 이용해 주변보다 더 밝게 빛나는 중심부 먼지구름을 확인했다. 아마도 이곳에 중성자별이 숨어 있을 것으로 예상되기는 하나 이 역시 중성자별을 직접 관측한 것은 아니었다.

그래서 과학자들은 역사상 가장 비싸고 가장 강력한 망원경인 제임스 웹 우주 망원경으로 SN 1987A를 다시 관측했다.

제임스 웹 우주 망원경의 MIRI 및 NIRSpec 장치로 얻은 적외선 및 분광 관측 데이터를 분석한 영국 임페리얼 칼리지 런던의 연구팀은 중성자별의 새로운 증거를 찾아냈다. 마이크 바로우 교수 연구팀은 무거운 아르곤 및 황 원자가 이온화 되어 있는 것을 확인했는데, 이는 중성자별에서 나온 강력한 에너지가 아니면 설명하기 어려운 결과다.

엄청난 초신성 폭발의 중심에서 태어난 중성자별은 초기에 표면 온도가 섭씨 1000억 도에 달한다. 이후 30년에 걸쳐 온도가 섭씨 100만도 정도로 떨어지지만, 여전히 막대한 열에너지를 지니고 있어 주변 원자에서 전자를 떼어내 이온화 형태로 만들 수 있다. 이런 고온을 오래 유지할 수 있는 천체는 중성자별 이외에 생각하기 어렵다.

물론 이번에도 중성자별을 직접 관측하는 데는 실패했지만, 과학자들은 언젠가 SN 1987A가 남긴 중성자별을 확인할 수 있을 것으로 믿고 있다. 시간이 지날수록 가스와 먼지가 흩어질 것이고 앞으로 더 강력한 망원경이 건설될 것이기 때문이다.

SN 1987A는 폭발의 순간부터 지금까지 모든 과정을 상세히 관측한 보기 드문 초신성 잔해로 언젠가 잔해 속에서 태어난 중성자별도 그 모습을 드러낼 것이다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com