"거대 별 갑자기 사라졌다"…블랙홀 형성 직접 관측 첫 사례

초신성 폭발 없이 별이 통째로 무너져 블랙홀로

무거운 별이 수명을 다하면 밝은 빛과 물질을 격렬하게 내뿜으며 폭발한다. 이를 초신성 폭발이라 한다. NASA, D. Crenshaw, O. Fox 제공

거대한 별이 폭발 없이 서서히 어두워지다 사라지는 현상이 관측되며 별이 블랙홀로 변하는 과정이 처음으로 직접 확인됐다.

키샬레이 디 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원을 포함한 국제연구팀은 안드로메다은하에서 거대한 별이 초신성 폭발 없이 블랙홀을 형성한 증거를 발견하고 연구결과를 국제학술지 '사이언스'에 지난 12일(현지시간) 발표했다.

무거운 별은 수명이 다하면 핵이 무너지면서 우주에서 가장 밝은 폭발인 '초신성 폭발'로 이어진다. 지금까지 이론적으로는 핵이 무너져도 바깥층을 밀어낼 힘이 부족하면 별의 물질이 안쪽으로 되돌아 떨어져 블랙홀이 만들어질 수 있다고 예측됐다. '실패한 초신성'이 만들어지는 과정이다. 실패한 초신성은 별이 폭발하는 대신 조용히 사라지기 때문에 관측이 극히 어려웠다.

연구팀은 미국 항공우주국(NASA)의 '근지구천체 광시야 적외선 탐사위성(NEOWISE)'으로 안드로메다은하를 관측하던 중 'M31-2014-DS1'이라 명명된 별에서 이상 신호를 포착했다. M31-2014-DS1은 태양보다 약 10만 배 밝은 초거성으로 2014년부터 적외선 밝기가 약 50% 증가했다가 이후 급격히 어두워지기 시작했다.

NASA의 허블우주망원경 등으로 추적 관측한 결과 이 별은 2017년부터 2022년 사이 가시광선 밝기가 1만 분의 1로 줄었고 전체 밝기도 10분의 1로 떨어졌다. 2023년에는 가시광선으로 더 이상 관측되지 않았다. 초신성 폭발의 흔적은 전혀 발견되지 않았다. 태양보다 10만 배 밝은 별이 폭발 하나 없이 조용히 사라졌다.

M31-2014-DS1의 위치와 소멸 과정. 2012년 허블우주망원경 가시광선 영상(왼쪽)에서 뚜렷하게 보이던 별이 2022년(오른쪽)에는 거의 사라졌다. 사이언스 제공

별이 어두워진 데는 두 가지 가능성이 있다. 별 앞에 먼지가 쌓여 빛을 가린 경우와 별 자체가 내는 에너지가 줄어든 경우다. 먼지에 가린 것이라면 가시광선은 줄어도 적외선은 오히려 밝아져야 한다. 그러나 관측 결과 가시광선과 적외선 모두 어두워졌다. 먼지가 별을 가린 것이 아니라 별이 실제로 에너지를 잃고 있다는 뜻이다.

연구팀의 분석에 따르면 M31-2014-DS1은 핵이 무너지면서 생긴 충격파가 일반 초신성보다 1000배 이상 약해 바깥층을 밀어내지 못했다. 바깥층 대부분이 우주로 튕겨 나가지 못하고 안쪽으로 되돌아 떨어졌다. 연구팀은 이렇게 쌓인 질량이 M31-2014-DS1이 버틸 수 있는 한계를 넘어 블랙홀이 형성된 것으로 추정했다.

적외선 밝기가 일시적으로 증가한 이유도 설명됐다. 핵이 무너지면서 별 바깥층을 구성하는 물질이 소량 바깥으로 방출돼 식으면서 먼지 껍질을 형성해 적외선 영역에서 밝게 관측된 것이다. 먼지가 응축되는 데 걸리는 이론적 시간은 약 900일로 관측된 적외선 밝기 최대 시점과 일치했다. 이론적 예측과 관측 결과가 맞아떨어지면서 이 별이 폭발 없이 블랙홀로 변했다는 해석에 힘이 실렸다.

이번 발견은 무거운 별의 최후와 블랙홀 형성 사이의 관계를 이해하는 데 중요한 단서가 될 전망이다. 디 연구원은 "실패한 초신성의 관측 사례가 극히 드물기 때문에 어떤 별이 블랙홀을 만드는지에 대한 관측적 제약이 거의 없었다"고 밝혔다.

<참고> 
doi.org/10.1126/science.adt4853

[임정우 기자 jjwl@donga.com]