초신성 폭발

[제이 주]

초신성 폭발로 인해 인류의 대 이동을 유발했다면 앞으로도 그러한 일이 또 다시 일어날 가능성은 충분하다. 물론, 이제는 인류의 대 이동이 아니라 대 멸망을 야기 시킬 수 있는 만큼 우리는 이에 대한 가능성을 검토하지 않을 수 없다. 물론 아직 학계에서 폭넓은 지지를 받지 않는 것이지만 지구로 들어오는 우주선의 변화가 최근 몇 십 년 동안의 온난화의 일부 원인이 될 수 있다는 주장들이 나오고 있다.

물론 지구의 온도가 하강해서 인류 조상의 이동시켰다는 이론에 반하지만 지구에 들어오는 우주선의 양이 더 많아져 그것이 대기를 둘러싸게 되고 그렇게 되면 태양 복사에너지를 반사시켜 지표면에 도달하는 에너지가 감소하고 온도를 떨어뜨릴 수 있는 것이다.

우리는 위에서 지구로 들어오는 우주선이 지구 기후 변화를 일으킬 수 있다는 가능성을 알아보았다. 지금 이 순간에도 별 일생의 마지막 단계인 초신성 폭발이 우주 여기저기에서 일어나고 있다. 만약 태양계와 가까운 큰 별이 생을 마감한다면 그 에너지가 지구에 큰 영향을 줄 수 있는 것이다. 지금부터 초신성 폭발과 소멸의 과정을 알아보자. 태양의 20배 되는 질량을 가진 항성을 예를 들어 그 별의 종말을 지켜보자. 우선 이 별의 중심인 철(Fe)핵에 초점을 맞추어 보자. 이곳의 질량은 태양의 약 1.4배정도 밖에 되지 않지만, 그 크기는 지구크기의 2/3 밖에 되지 않아서 매우 밀도가 크다.

일단 별이 이러한 구조를 지니게 되면 이미 언급했던 핵 연소는 서서히 그 치게 된다. 중심핵의 철은 앞서의 헬륨이나 탄소-산소, 기타 다른 핵이 했던 핵점화를 더 이상 하지 않게 된다. 그 까닭은 철의 원자핵이 원소들 중에서 가장 안정한 결합을 가지기 때문이다.

그래서 철이 핵융합하여 좀 더 무거운 원자로 되기 위해서는 에너지의 공급이 있어야 한다. 좀더 무거운 원소를 생성하기 위해서는 폭발이 일어나서 그러한 반응에 필요한 에너지를 공급할 수 있을 때 가능하다. 철이 핵 연소를 하지 않는다는 사실은 별의 철 핵의 붕괴(collapse)와 별의 겉껍질의 폭발을 유발한다. 이를 세 단계로 나누어 알아보기로 한다.

철로 된 핵의 질량이 태양 질량의 1.4배에 가까워지면(철로 된 핵의 바깥 껍질에서 황과 규소가 핵 연소하여 철을 공급), 급격한 변화를 위한 준비가 시작된다. 여태까지 바깥을 향하던 복사압이 약해지면서 균형을 이루던 중력과 균형이 깨지기 시작한다. 그러면 철로 된 핵이 무너져 내리기 시작하기 시작한다. 순식간에 철로 된 핵은 그 크기가 5000마일 정도에서 수 십 마일 정도로 수축되면서, 엄청난 에너지를 방출한다. 이러한 핵의 붕괴는 매우 빨리 일어나서 별의 외부 층이 이와 반응하거나 참여할 수 있는 시간적 여유를 주지 않는다. 철로 된 핵의 수축시 방출되는 에너지의 양은 매우 엄청나다. 폭발할 때 발생하는 총에너지는 태양이 일생(약 100억 년) 동안 방출하는 양과 거의 같은 10J 44정도이다.

철로 된 핵의 붕괴 시 방출되는 에너지의 대부분은 포착하기 매우 어려운 중성미자란 입자로 되어 우주 공간으로 빠져나간다. 나머지의 아주 작은 양의 에너지만이 핵 주위 껍질에 축적되어 있다가 초신성 폭발의 도화선이 된다.

핵을 감싸고 있던 표층부위에 에너지가 축적되면 별의 표면을 향한 굉장한 충격파가 형성된다. 충격파가 별 표면 쪽으로 전파되면서 그 외곽부분이 가열되고 이로 인해 경계부에서는 폭발적인 핵 연소가 일어난다. 그리고 폭발한 가스는 초속 1만∼2만㎞의 속도로 밖으로 분출한다. 이 과정에서 철보다 무거운 원소들이 만들어 진다. 충격파가 별 표면에 다다르면, 별 표층은 급격히 가열되고 광도가 증가한다. 하루나 이틀 사이에 별의 밝기는 태양의 수억 배 이상이 된다. 사전에 철로 된 핵의 붕괴 시 방출하는 중성미자를 검출하여, 미리 폭발의 전조를 아는 행운이 따르지 않는 한, 이 때가 멀리 있는 관측자가 초신성 폭발을 알 수 있는 때이다. 초신성(supernova)이 너무나 멀리, 우주 어느 구석에 처박혀 있을지 모르기 때문에, 어느 누구도 전에 본 적이 없다. 따라서 "新(new)"을

의미하는 nova라는 용어가 붙어있는 것이다.

결국 이러한 사건 후에는 밀도가 큰 별의 잔해와 빠른 가스 외각의 팽창이 남는다. 밀도가 큰 별의 잔해는 중성자별 또는 블랙홀이 된다.

팽창하는 가스의 겉껍질은 주변의 성간 물질 쪽으로 서서히 퍼져 나가다가 결국은 섞여 버리고 만다. 성간 물질의 이러한 구역을 초신성 잔해라 한다.
수주 후에는 폭발에 따른 광채는 사라진다. 반면 초신성은 여전히 은하의 먼 거리를 가로질러 수개월에서 수 년 동안 빛을 잃지 않고 계속 남아 있게 된다. 우리 은하 너머 외부은하에서 매년 20개 내지 30개의 초신성이 발견된다. 대개는 거리가 너무 멀리 있는 관계로 매우 희미해서, 망원경이 없이는 거의 볼 수 없다.

천체가 자기자신의 중력(만유인력) 때문에 급격히 수축하는 것. 이와는 달리 밤하늘에 빛나는 보통 별은 중력평형상태에 있다. 즉 항성은 자신의 중력 때문에 수축하려고 하지만 별의 내부는 고온·고압으로 되어 있어 그 압력차의 힘으로 수축을 멈추게 하여 균형상태를 유지한다. 그러나 별의 내부 온도와 밀도가 어느 특정한 범위 내에 도달하여 물질이 상변화(相變化;phase change)를 일으킬 때에는 항성이 중력평형상태를 유지할 수 없게 되어 중력붕괴를 일으키는 경우가 있다.

가스성운에서 별이 생길 때 가스가 압축되어 온도가 2000K를 넘으면 그 때까지의 수소분자는 해리하여 수소원자가 되고, 이어 수소원자는 이온화되어 양성자와 전자로 나뉜다. 이들 상변화로 별은 불안정하지만 중력붕괴를 일으켜 보통 항성이 된다. 중력붕괴의 속도는 처음에는 비교적 느리지만 별이 생기기 직전에는 아주 빨라진다. 이렇게 해서 생긴 별의 내부에서는 원자핵융합반응이 진행되고, 마침내 별의 중심부가 철이 된다. 에너지원을 잃은 별은 중력수축을 할 수밖에 없으나 질량이 큰 별은 내부 온도가 40억K를 넘으면 철의 원자핵이 고온 아래 있는 광자(光子)를 흡수하여 13개의 헬륨과 4개의 중성자로 분해된다.

이 때 에너지 흡수와 상변화에 따라 별의 중심핵은 1초 이하의 시간으로 급격하게 중력붕괴를 한다. 중력붕괴가 시작될 때의 중심밀도는 1㎠당 10억g이지만, 중심밀도가 1000조g 정도가 될 때까지 수축되면 붕괴는 멈추고 그 뒤에 중성자별이 남는다. 이 때 충격파가 발생하여 별의 바깥층으로 전해져 성간매질로 방출되는데, 이를 초신성폭발이라 한다. 그러나 중심핵의 질량이 태양의 2배 정도보다 크고 무거운 별의 경우 중력붕괴는 계속되어 마침내 블랙홀(black hole)이 생기게 된다.

어쩌면 지구 기후변화의 주범이 다른데 있을지도 모르겠네요..
요즘 지진 때문에 참 지구 상태에 대해 많이 걱정이 됩니다..
이제 인간들이 정신을 차릴 때도 되지 않았나 싶네요.

출처:사이언스 올

[겨울바람]

좋은 게시물이네요. 퍼갈곳은 없고 열심히 읽고 머리속에 쌓아두겠습니다. 제 생이 다할때까진 지구가 괜찮겠지요???