40년째 밝게 빛나는 신성의 비밀…알고보니 동반성 포식 중 [아하! 우주]

[서울신문 나우뉴스]

동반성에서 물질을 흡수하는 HM Sge의 개념도. 사진=NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

고대인들은 밤하늘에 보이지 않았던 새로운 별이 보였다가 사라지는 현상을 관찰하고 신성(Nova)이라는 이름을 붙였다. 하지만 사실 이 이름은 잘못된 것이다. 과학자들은 신성의 정체가 없던 별이 새로 생겨나는 것이 아니라 죽은 별인 백색왜성이 갑자기 밝아졌다가 본래 밝기로 돌아가는 현상이라는 점을 밝혀냈다.

태양 같은 별은 마지막 순간에 가스를 대부분 잃어버리고 핵융합 반응으로 만들어진 산소와 탄소 핵이 모여 작고 뜨거운 잔재를 남기는데, 이것이 백색왜성이다. 완전히 식기 전까지는 흰색으로 빛나지만, 그 밝기는 많이 어두워서 평소에는 잘 보이지 않는다. 이런 백색왜성이 갑자기 수백 배 밝아지면서 신성이 될 수 있는 건 동반성 덕분이다.

백색왜성은 크기는 작아도 질량이 커서 표면 중력은 상당히 강하다. 만약 백색왜성 가까이에 동반성이 있으면 상대방의 가스를 끌어당길 수 있을 정도다. 이렇게 모은 수소가스는 표면에 농축되어 있다가 임계점에 도달하면 핵융합 반응을 일으키는 데, 이때 수주에서 수개월에 걸쳐 밝게 빛나는 것이 일반적인 신성의 정체다.

대부분의 신성은 길어야 몇 달 뒤 표면 온도가 다시 식어 밝기가 줄어든다. 하지만 1975년 발견한 신성인 HM Sge(HM Sagittae)는 거의 40년이 지난 지금까지도 밝기를 유지하고 있다. 이런 예외적인 현상이 일어난 것은 동반성에서 많은 양의 가스를 공급받기 때문으로 풀이된다. HM Sge는 마치 부활한 것처럼 250배로 밝아진 후 지금도 살아 있는 별과 비슷한 밝기로 빛나고 있다.

우주 망원경 연구소의 라비 산크리트가 이끄는 연구팀은 허블 우주 망원경과 2022년 퇴역한 항공 망원경인 소피아(SOFIA) 데이터를 이용해 HM Sge와 그 동반성의 물질 이동을 조사했다. HM Sge의 동반성은 아직 죽지는 않았지만, 사실상 임종이 가까운 적색거성 상태의 별이다. 적색거성은 별이 죽기 직전 지름이 수백 배 이상 부풀어 오르는 것으로 결국 표면에 있는 가스를 중력으로 잡아두기 힘든 상태가 되어 가스를 잃고 마지막에는 잔재들만 모여 백색왜성이 된다.

현재 HM Sge의 동반성은 타원궤도를 공전하면서 주기적으로 많은 가스를 공급하고 있다. 적색거성은 표면 중력이 약하기 때문에 가스가 솜사탕처럼 쉽게 떨어져 나간다. 덕분에 HM Sge는 동반성에서 많은 물질을 획득해 40년 동안 밝게 빛날 수 있었다. 다만 이렇게 흡수된 가스는 바로 백색왜성으로 흡수되는 것이 아니라 주변에 고리 같은 원반을 형성한 다음 서서히 표면으로 흡수된다.

이번 관측에서 연구팀은 이 원반의 회전 속도는 초속 11km 정도이며 적색거성과의 원반 사이에 최대 32억km까지 물질의 흐름이 있다는 사실을 확인했다. 또 다른 흥미로운 사실은 HM Sge의 표면 온도가 1989년에는 섭씨 22만 도였는데, 현재는 25만도 로 더 증가했다는 것이다. 일반적인 신성이 초반에 뜨겁다가 몇 달 이내로 식는 것과 반대의 현상이다.

마치 생명을 다시 찾은 것처럼 밝게 빛나는 HM Sge도 결국은 다시 어두워질 수밖에 없다. 동반성인 적색거성은 동반석을 포식하는 HM Sge 때문에 더 빨리 가스를 잃고 있으며 조만간 모든 가스를 잃고 백색왜성이 될 것이다. 이때가 되면 두 백색왜성은 어두워진 채로 서로를 공전하며 영겁의 세월을 보내게 된다. 하지만 그전까지 HM Sge와 동반성은 과학자들에게 물질을 흡수하는 백색왜성에 대한 귀중한 정보를 제공해 줄 것이다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com