별이 파괴되는 ‘첫 순간’…초신성은 ‘올리브 모양’으로 폭발했다

곽노필의 미래창
2200만광년 거리 태양 500배 큰별
별 표면 뚫고 분출되는 모습 첫 포착

2200만광년 떨어진 NGC 3621 은하에서 발견한 초신성 SN 2024ggi의 초기 폭발 모습을 묘사한 그림. 폭발하는 물질이 별 표면을 뚫고 나오는 모습으로 이렇게 초기 단계의 초신성 폭발을 관측한 것은 처음이다. 유럽남방천문대 제공

천문학자들이 초신성 폭발 첫 단계에서 별 표면이 파괴되는 순간을 포착하는 데 성공했다. 관측 결과, 폭발 초기에 분출되는 물질은 별을 뚫고 나오며 올리브 모양을 형성하는 것으로 나타났다.

이 희귀한 장면은 천문학자와 천문대의 기민한 대응 덕분에 가능했다. 이번 연구 주저자인 중국 칭화대 양이 교수(물리학)가 칠레의 소행성 충돌 최종 경보 시스템(ATLAS) 카메라에서 초신성 ‘SN 2024ggi’가 감지됐다는 소식을 들은 것은 장거리 비행 끝에 샌프란시스코에 막 도착한 2024년 4월10일 밤이었다. 초신성 폭발 초기의 모습을 볼 수 있는 절호의 기회라고 판단한 그는 동료들과 함께 다음날 아침 곧바로 유럽남방천문대(ESO)에 관측 제안서를 보내 가능한 한 빨리 관측 시간을 달라고 요청했다. 천문대는 서둘러 승인 절차를 밟고, 칠레에 있는 초거대망원경(VLT)을 초신성 관측에 할애했다. 초신성 최초 감지 후 26시간만이었다.

초신성이란 별이 일생의 마지막 단계에서 핵융합을 일으키며 매우 밝게 빛나는 폭발 현상을 말한다. 태양 질량의 8배가 넘는 별은 자체적인 핵붕괴(제Ia형 초신성)를 통해, 질량이 그 이하인 별은 동반별이 있을 경우(제II형 초신성)에 초신성 폭발을 일으킨다.

양 교수를 포함한 국제 연구진은 이번 관측을 통해 별 중심부 근처에서 폭발로 가속된 물질이 별 표면을 뚫고 분출하는 단계를 처음으로 잡아냈다. 공동저자인 유럽남방천문대의 디트리히 바데 박사는 “몇시간에 걸쳐 별의 기하학적 구조와 폭발을 함께 관찰할 수 있었다”고 말했다.

NGC3621 은하에 있는 초신성 SN 2024ggi(흰색 원)의 위치를 ​​보여주는 사진. 초신성 폭발이 처음 감지된 지 26시간 후인 2024년 4월 11일에 촬영됐다. 유럽남방천문대 제공

주변 물질과 반응하기 전 단계

초신성 폭발은 생을 다한 거대한 별의 장례식에 비유할 수 있다. 그러나 초신성 폭발이 일어나는 메카니즘은 아직 명확히 알려지지 않은 상태다. 양 교수는 “이번 관측은 우주 불꽃놀이와도 같은 초신성 폭발을 일으키는 물리적 과정이 어떻게 진행되는지에 대한 기초 정보를 제공해준다”고 말했다.

별이 일생 동안 동그런 모양을 유지하는 것은 별을 압축시키는 중력과 별을 팽창시키는 핵융합 에너지의 힘이 균형을 이루기 때문이다. 그런데 태양 질량의 8배가 넘는 거대한 별의 경우 핵융합 연료가 고갈되면 중력의 힘으로 별이 수축하다가, 밀도가 어느 한계점에 이르면 이에 대한 반발력으로 다시 폭발이 일어나면서 엄청난 에너지가 방출된다. 이때 별이 극적으로 밝아진다. 이 순간을 잘 포착하면 분출된 물질이 별을 둘러싼 물질과 상호작용하기 전의 상태를 연구할 수 있다.

2200만광년 거리에 있는 이 초신성 폭발을 일으킨 별은 질량이 태양의 12~15배, 반지름이 태양 500배(약 2억5천만km)인 적색 초거성으로 거대한 별 폭발의 전형적 사례라고 할 수 있다.

유럽남방천문대 초거대망원경(VLT)으로 촬영한 NGC 3621 은하. 다른 나선 은하와 달리 중앙에 뭉툭한 팽대부가 없다. 유럽남방천문대 제공

모양 납작해져도 대칭 형태는 유지

연구진은 이번 관측에 폭발의 기하학적 구조를 파악할 수 있는 분광편광측정법이라는 기술을 사용했다. 아주 작은 각도까지도 잡아낼 수 있는 기술이다.

연구진은 이 기술을 이용해 엄청난 에너지의 물질이 처음 별 표면을 뚫고 나오며 올리브 모양을 형성했다가 이후 별 외곽의 물질과 충돌하면서 모양이 납작해진다는 걸 알아냈다. 양 교수는 “최초의 빛 입자와 물질은 (일반적인 예상과 달리) 별 표면에서 공 모양(구형)으로 분출되지 않았다”며 “이는 별 중심부에서 폭발이 어떻게 촉발되는지에 대한 정보를 제공한다”고 말했다.

하지만 대칭 형태는 그대로 유지됐다. 양 교수는 “이번 발견은 거대한 별의 초신성 폭발을 이끄는 공통의 물리 법칙이 존재한다는 걸 시사한다”고 설명했다.

연구에 참여하지 않은 프린스턴대 에담 버로우스 교수(천체물리학)는 “매우 중요한 관측 결과”라며 “이번 관측을 통해 초신성 폭발 이론이 전반적으로 검증된 것으로 보인다”고 말했다.

그가 말하는 초신성 폭발 이론이란, 붕괴하는 물질이 만든 충격파가 힘이 다할 즈음 중성미자라는 아원자 입자에 의해 다시 힘을 얻어, 마치 냄비에서 물이 끓는 것처럼 상층부를 가열하면서 폭발이 일어난다는 것이다. 현재 핵붕괴형 초신성 폭발을 설명하는 주류 가설이다.

버로우스 교수는 “구체적인 세부사항까지 알아내려면 더 많은 관측이 필요하겠지만 이 일반적인 이론이 데이터로 확인됐다고 볼 수 있다”고 말했다.

*논문 정보

An axisymmetric shock breakout indicated by prompt polarized emission from the type II supernova 2024ggi. Science Advances(2025)

DOI: 10.1126/sciadv.adx2925

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr