별의 장렬한 죽음 - 초신성의 폭발

[빈삼각]

우주 안에서 태어나는 모든 것에는 죽음이 있다. 별도 예외가 아니다. 별들 중 태양 보다 10배 정도 무거운 별들은 마지막을 대폭발로 장식한다. 이 때 별은 태양이 평생(100억년)동안 방출할 에너지를 한꺼번에 방출하며 태양 10억 개 밝기로 빛나는 초신성(supernova)이 된다. 그리고 별의 중심핵은 수축하여 아주 작은 중성자별이 되거나 블랙홀이 된다. 이것을 초신성 폭발이라 부른다. 우주에서 의미 없이 일어나는 사건은 없지만 초신성폭발은 그 중 가장 중요한 사건이다. 별은 스스로를 태워 우주를 데우고 밝히는 것이 전부가 아니다. 별은 일생 동안 핵융합을 통하여 탄소, 산소, 규소, 철과 같은 갖가지 원소들을 만들어 별 내부에 차곡차곡 쌓아놓는다. 별은 물질과 생명체의 재료가 되는 원소들의 생성공장인 셈이다. 그리고 초신성 폭발은 그것을 우주로 환원하는 과정이 된다. 모든 별이 그냥 조용히 죽음을 맞는다면 우리는 이 세상에 존재하지도 않았을 것이다. 지구상의 모든 것들과 우리 몸을 이루는 원소들은 대부분 별 속에서 만들어진 것이기 때문이다. 그런 의미에서 별은 우리의 고향이며, 우리는 별의 후손이다. 그래서 사람들은 모두 별을 사랑하는지도 모른다.

 

초신성폭발 후 별의 잔해가 흩어지는 모습은 천문학자들에게 중요하다. 주위 가스와 어떻게 상호작용하고 어떻게 원소들이 퍼져나가는지 알아내는데 도움이 되기 때문이다. 사진은 대마젤란은하에서 폭발한 별의 잔해(N63A)인데 그 속에 한 마리 귀여운 여우(다람쥐?)가 들어 있어 재롱을 부리는 것처럼 보인다. [사진_NASA, CSIRO]

처녀자리 방향으로 1500만 광년 거리에 있는 은하(NGC4526) 원반에 초신성(SN1994D)이 나타났다. 사진 왼쪽 아래의 밝은 별이다. 초신성은 1500만 광년이란 엄청난 거리에서도 보일만큼 밝다. 이 은하에는 1000억 개의 다른 별들이 있지만 거의 보이지 않는다. 초신성은 1000억 개의 별을 가진 은하만큼이나 밝다. [사진_NASA, ESA]

은하수 즉, 우리 은하계에서 발견된 가장 젊은 초신성(은하좌표 G1.9+0.3)이다. 140년 전에 폭발하였다. 이 사진은 찬드라 x-선 망원경으로 찍은 사진(붉은색)과 전파망원경(VLA)로 찍은 사진(청색)을 합성한 것이다. 별이 터지는 모습이 상상이 된다, 또 폭발의 순간 별이 얼마나 뜨거웠는지 그 열기가 느껴진다. 폭발순간 별의 온도는 1000억 도에 이른다.  [사진_NASA, NSF]

대마젤란은하에 나타난 초신성(SN1987A)이다. 지구에서 폭발이 처음 관측되고(1987.2) 20년이 지난(2006.12) 모습이다. 팽창하는 별의 가스층이 진주를 꿴 목걸이(가운데 분홍빛 고리)를 연상케 한다. 고리 가운데 남은 별의 잔해가 보인다. 한편 북극과 남극 방향으로 분출된 가스는 더 큰 원을 만들어, 전체적으로 커다란 장구형태가 되었다. 빛나는 고리는 장구의 몸통이 되고, 두 개의 큰 원은 장구의 양쪽 거죽이 되는 셈이다. [사진_NASA, ESA]

340년 전 초신성 카시오페이아 A가 나타났을 때 아무도 알아보지 못했다. 최근 허블우주망원경 관측으로 이 초신성 잔해의 왼쪽 위 부분이 초속 13000km의 엄청난 속도로 팽창하는 것처럼 보이는 것이  관측되었다. 그러나 이것은 초신성 잔해 자체가 팽창하는 속도가 아니라, 폭발한 별에서 방출된 빛이 순차적으로 잔해에 반사되어 지구로 도착한 덕에 마치 놀라운 속도로 잔해가 팽창하는 것처럼 보인 것이다. 마치 네온사인이 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 현상과 비슷하다. 이를 빛의 메아리 현상이라고 한다. 이 빛의 메아리는 먼 길을 돌아오므로 마치 시간 여행처럼 과거의 빛을 볼 수 있게 한다. 이 현상을 이용하면 폭발 당시의 빛을 관측할 수 있게 될 지도 모른다. [사진_NASA, The Hubble Heritage Team]

게성운의 중심에는 큰 도시 만한 크기의 중성자별이 있다. 이 중성자별은  1초에 30번 자전하며 우주 공간으로 전파를 쏘아댄다. 지구에서 보면 수신되는 전파의 강도가 주기적으로 변하여 깜박대는 등대처럼 보인다. 이렇게 주기적으로 전파가 관측되는 별을 펄서(pulsar)라고 한다. 펄서는 왜 그렇게 빨리 도는 것일까? 그 이유는 각운동량 보존법칙 때문이다. 중성자별은 별이 수축하여 크기가 작아진 별이다. 별의 지름이 작아지면 별의 자전속도는 빨라진다. 마치 팔다리를 몸에 붙임으로써 회전속도를 빠르게 하는 피겨스케이트 선수처럼. 펄사는 별의 지름이 처음 별의 10만분의 1 정도로 작아졌기 때문에 자전 속도가 엄청나게 빨라진 것이다.  [사진_NASA, CXC]

대마젤란은하에서 수천 년 전에 폭발한 초신성잔해(N49)이다. 이 성운에서 극도로 강한 감마선 분출이 관측되어 또 다른 중성자 별 마그네타(magnetar)가 있다는 사실을 알게 되었다. 마그네타는 엄청나게 강한 자기장을 갖는 중성자별이다. 우리 근처에 마그네타가 없다는 것이 무척이나 다행이다. 강력한 자기장 때문에 마그네틱 카드를 사용할 수 없었을 테니까. 아니 그보다 먼저 강한 감마선 때문에 지구에는 어떤 생명체도 존재하지 못했을 것이다. [사진_NASA, The Hubble Heritage Team]

소마젤란은하에서 폭발한 초신성 잔해(푸른색)가 별형성영역(N76, 분홍색 성운)을 향해 퍼져가고 있다. 초신성폭발은 성운의 가스를 밀어 붙여 별 탄생을 촉진하고, 초신성잔해는 새로운 별과 별 주위에 생겨나는 행성의 재료가 된다. 이 폭발은 2000년 전에 일어났고 잔해는 50광년 범위까지 퍼졌다. 초신성폭발의 잔해는 10만년에 걸쳐 100광년 너머까지 퍼진다. [사진_NASA, ESA]

우주에 떠도는 얇고 투명한 이 리본은 대체 누가 잃어버린 것일까? 그 주인은 1000년 전 이리자리방향으로 7000광년 거리에 있던 별이다(작은 사진의 점선부분). 초신성 폭발로 흩어진 별의 잔해는 다음 세대 별의 원료가 되고, 또 별 주위에 생성되는 행성의 재료가 된다. 태양과 지구는 이런 초신성 폭발의 잔해에서 태어난 2세대별과  행성이다. [사진_NASA, ESA]

은하수내에서 어떤 별이 곧 초신성폭발을 일으킬까? 첫번째 후보는 용골자리 에타별, 에타 카리나이다. 이 별은 태양 질량의 100배가 넘는 불안정한 별이다. 언제 폭발을 일으킬지 모른다. 현재 이 별(가운데 밝은 점)은 뿜어낸 먼지와 가스구름에 덮여 거의 보이지도 않는다. 1~2년 뒤일 수도 있고 1000년 후일 수도 있다. 이렇게 큰 별이 폭발을 일으키면 초신성을 능가하는 극초신성(hypernova)이 되고 중성자별 대신 블랙홀이 만들어질 것으로 예상된다. 그리고 하늘은 또 하나의 달이 뜬 것처럼 밝아질 것이다. [사진_Jon Morse, NASA]

출처:네이버캐스트