늙으면 느려진다는 우주 법칙, 거대 항성에서는 안 통했다 [달콤한 사이언스]

모든 생물은 생로병사의 과정을 거친다. 나이가 들수록, 시간이 지날수록 행동이 느려지는 것도 우주 만물의 법칙 중 하나다. 별(항성)도 나이를 먹으면서 자전 속도는 서서히 느려져 초기 자전 속도의 100분의1~1000분의1 수준으로 떨어지는 ‘스핀 다운’ 현상을 겪는다.

항성은 태양풍 형태로 플라스마 입자를 우주 공간으로 방출한다. 별의 질량이 줄어들면서 별이 가진 전체 각운동량은 ‘각운동량 보존 법칙’에 따라 서서히 감소한다. 천문학자들은 별 내부의 대류 현상으로 인해 발생한 자기장이 뿜어져 나가는 플라스마와 상호작용하면서 별의 자전에 제동을 거는 것을 스핀 다운 핵심 원리로 생각했다. 그렇지만 최근 우주 관측 기술이 발달하면서 기존 이론만으로는 별의 자전 속도가 극적으로 감소하는 이유를 완벽하게 설명하지 못한다는 점이 드러났다.

철 중심핵(남색)이 붕괴하기 전 마지막 산소(녹색) 및 규소(청록색) 껍질 연소 단계에 있는 무거운 별 내부를 그린 삽화. 자기장의 세기와 기하학적 구조가 산소 영역 내 대류의 특성과 결합하여 자전 속도를 빨라지게 하거나 느려지게 만들 수 있다는 사실이 확인됐다. 일본 교토대 제공

이에 일본 교토대 연구팀은 우리 태양보다 훨씬 무거운 거대 항성의 내부를 3차원 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 특히 에너지가 끓어오르는 대류대 안에서 플라스마의 흐름, 별의 자전, 자기장의 상태를 정밀하게 분석했다.

이런 복잡한 플라스마의 움직임을 수학적으로 푸는 학문을 ‘자기 유체 역학’(MHD)이라고 한다. 또 연구팀은 지구 내부 구조를 파악할 때 지진파를 분석하는 것처럼 별 내부에서 발생하는 음파나 중력파의 고유 진동을 분석하는 성진학(Astroseismology)을 활용했다. 이 연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지 ‘천체물리학 저널’ 4월 28일 자에 실렸다.

그 결과, 거대 항성 내부에서도 우리 태양이 운동 에너지를 전자기 에너지로 변환해 지속적인 자기장을 만드는 ‘태양 다이나모’와 유사한 현상이 일어난다는 것을 확인했다. 자전과 자기장이 서로 영향을 주고받으며 공진화하고 있다고 연구팀은 설명했다.

재미있는 부분은 별 내부의 각운동량 이동 경로로 대류와 자기장의 상호 작용은 짧은 시간 동안에도 내부 물질을 별의 중심이나 표면으로 끊임없이 이동시켰다. 별의 연료가 다 타들어가는 후기 연소 단계에서는 기존에 알려진 것처럼 내부 자기장 구조에 따라 자전 속도가 느려지기도 했지만 오히려 중심핵의 회전이 빨라지는 스핀 업 현상이 발생하는 것도 발견했다.

연구를 이끈 루시 맥닐 교토대 교수는 “이번 연구로 특정 자기장 구조에서는 별의 중심핵이 오히려 더 빨리 도는 경우도 있으며, 어떤 거대 항성들은 물리적으로 느리게 자전하는 것 자체가 불가능할 수도 있음을 확인했다”며 “별의 최종 자전 속도는 별마다 가진 고유한 내부 특성에 따라 천차만별이라는 것을 파악함으로써 늙은 별의 자전 속에는 우리가 상상했던 것보다 훨씬 역동적이고 정교한 물리학이 숨어 있음을 알 수 있다”고 설명했다.

유용하 과학전문기자