어느 날 갑자기 하늘에서 사라진 별, 초신성 용골자리 에타(η car)

[白山]

어느 날 갑자기 하늘에서 사라진 별
초신성 용골자리 에타(η car)」

공식

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2018.09.17. 15:005,779 읽음 비밀글

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대마젤란성운 내 초신성 1978A. <츌처 : ESA/NASA/STScI/AURA>

초신성(supernova), 하면 무엇이 떠오르는가? 밝은 빛, 작렬한 전사, 고 에너지, 중원소의 탄생, 생의 마지막 폭발…

아마 무엇을 떠올리든, 크고 밝게 폭파되는 커다란 별을 묘사하는 표현일 것이다.

그렇다. 초신성은 주로 진화¹⁾를 거듭한 커다란 별이 가지고 있던 물질 대부분을 토해내며 삶을 마감하는 바로 그 화려한

순간이다. 이때 발생되는 에너지는 은하같이 밝은 빛으로, 어마어마한 열에너지로, 그리고 새로운 별의 탄생을 촉진할

만큼 강한 충격파로 발산된다.

워낙 격렬한 공간이라 생명을 구성하는 무거운 원소들도 만든다.

안정된 별이 만들어낼 수 있는 원소는 철(Fe)이 마지막이니, 나머지 무거운 원소들은 거의 대부분 초신성이 만들어낸다고

말해도 과언이 아니다.

초신성이 뿜어내는 어마어마한 물질들과 충격파는 주변 성운에 국소적인 밀도 차를 만들고, 거기서 촉발된 작은 중력이

결국 새로운 별을 만들기도 한다.

그래서 초신성 폭발은 별의 끝이자 시작이며 생명의 원천이다.

원래 신성(nova)이란, 하늘에 갑자기 밝게 나타난 별이란 의미다.

그중 아주 많이 밝아진 별을 초신성(supernova)라 분류한 것인데, 좀 더 연구해보니 전부 항성의 붕괴나 외부 물질의 유입²⁾

등으로 인해 격렬한 변화를 겪을 때 견디지 못하고 물질을 뿜어내는 크고 작은 일종의 ‘폭발’과 관련 있다는 게 밝혀졌다.

 그러니까, 보통 초신성이라 함은, ‘아주아주 밝아짐’이 기본 상식이라는 것이다.

1) 별의 진화 단계 (일반적으로) : 생성 초기 원시성운 단계 → 핵융합을 통해 에너지를 만들어내는 주계열성 단계 →

더 무거운 핵융합을 하는 거성 단계 → 항성 내 균형이 무너지고 폭발하는 단계 (무게에 따라 행성상 성운, 초신성 등)

→ 백색왜성, 중성자 별, 블랙홀 등이 됨

2) 백색왜성과 거성으로 이루어진 쌍성 듀오에서 많이 일어난다! 더 무거워서 빨리 삶을 마감한 백색왜성 쪽으로 거성의

대기가 이끌리면서, 백색왜성은 갑자기 유입된 중력에 정신을 못 차리고 폭발하는 것이다.

그런데 폭발과 함께 어둠 속으로 사라진 별이 발견됐다.

용골자리 에타와 그를 감싸고 있는 먼지 구름, 호문쿨루스 성운. <출처 : Nathan Smith (UC.Berkeley) and NASA>

 19세기 초, 밤하늘에서 두 번째로 밝은 별이 나타났다.

이 친구는 겉보기 밝기가 1등급, 더 밝아졌던 19세기 중반엔 –1등급 수준까지 밝아졌다.

시리우스(-1.4등급)보다 약간 어둡고 리겔(0.2등급)보다 밝다면 감이 올까?

시리우스와 리겔은 인공 빛이 난무하는 서울의 밝은 밤하늘에서도 꿋꿋이 존재감을 드러내는, 아주 밝은 별이다.

이 정도로 밝은 별이 1세기 전인 18세기까지는 3-4등급의 평범한 별이었으니, 아마 평범하게 초신성 폭발을 하고 있는

것일 거라 천문학자들은 생각했다. 그런데 돌연, 이 별이 갑자기 하늘에서 사라졌다.

사라진 것처럼 보이던 이 별이 바로 용골자리³⁾ 에타별(η carinae)이다. 

이 별은 19세기 중반 경 갑자기 밝기가 8등급까지 곤두박질치면서 시야에서 사라졌다. 

밝기 등급 5단계 차이가 실제 밝기로는 100배 차이라니, -1등급에서 8등급까지 떨어진 용골자리 에타는 자그마치

대충 만 배 가까이 어두워진 셈이다.

1686년부터 2014년까지 용골자리에타 겉보기 등급 변화. <출처 : AAVSO>

3) 용골자리(carinae) : 이 별자리의 이름이 낯선 이유는 남반구에서만 보이는 별자리기 때문이다.

여기에 위치한 발광성운인 용골자리 성운(Carina Nebula, NGC3372)은 오리온성운보다 더 밝고 크기도 네 배나 되는

아주 크고 밝은 성운이지만 북반구에서 볼 수 없어 덜 알려진 편이다. 용골자리 에타도 이 성운 내에 위치하고 있다.

왜 갑자기 멀쩡하던 초신성이 사라졌을까?
이 현상에 의문을 가진 천문학자들이 연구를 거듭한 결과,
그 원인은 바로 폭발 잔해물들의 응축이었다.

용골자리 에타 주위 먼지구름 . <출처 : NASA>

본래, 용골자리 에타는 태양 질량의 100배가 훨씬 넘는 극대거성이다.

일반적인 별도 오랜 핵융합을 통해 연료를 모두 소진하면 중력과 팽창력의 균형이 무너져 불안정해진다.⁴⁾

이 힘의 불안정이 초신성 폭발의 근원인데, 극대거성인 용골자리 에타는 그 정도가 좀 심했다.

자신의 질량을 이기지 못하고 무너져 폭발한 에타별은 엄청난 양의 껍데기를 외부로 방출했다.

그런데 이 분출물들이 너무 많았던 것이다.

어마어마한 양의 분출물들은 각자의 중력에 의해 수축했고, 두꺼운 먼지 구름을 만들며 자신의 모항성을 에워쌌다.

두꺼운 구름 탓에 지구까지 도달했어야 할 별빛이 차단됐고, 그렇게 용골자리 에타는 우리 시야에서 사라졌다.⁵⁾

4) 즉, 핵융합을 한창 하고 있을 때에는 핵융합 에너지로 인한 팽창력과 물질들로 인한 중력이 균형을 이루어 안정적인

별의 모양을 유지할 수 있다.

5) 이 먼지 구름 더미를 '호문쿨루스 성운(Homunculus Nebula)'라고 부른다.

용골자리 성운의 반쪽 (자외선 - 근적외선 영역 이미지 합성).

왼쪽에서 가장 밝게 빛나고 있는 별이 용골자리 에타별이다. <출처 : ESO>

그래서 당시 용골자리 에타의 등급은 8등급까지 떨어졌던 것이고, 긴 시간(우주의 시간으로 볼 때는 그다지 길지 않지만)

동안 먼지 구름이 조금씩 우주 공간 사이로 해체되고 재결합되며 현재는 4등급의 지위를 회복했다.

인간이 발견한 별 중에 용골자리 에타별 외에는 같은 현상을 가진 별이 거의 없다. 

특이한 만큼 흥미롭기 때문에 많은 천문학자들이 연구하고 있지만, 두꺼운 먼지 구름 탓에 정보가 부족해 아직까지 많은 

것을 밝혀내지는 못했다. 

스펙터클한 별, 용골자리 에타는 사실 우리 은하에서 가장 큰 천체 중 하나라고 하며, 이 별을 둘러싼 성운인 ‘호문쿨루스 

성운’은 역시 우리 은하에서 가장 밝은 발광성운 중 하나다. 

우리는 아마 모든 과정을 함께할 수 없겠지만, 이 거대한 폭발은 아마 앞으로 수 백 만년 동안 계속될 예정이라 한다.

혹시 제주도보다 남쪽으로 여행 갈 일이 있다면, 용골자리 에타가 마지막 숨을 거칠게 뿜고 있을 그곳, 용골자리 성운을

찾아보는 건 어떨까? 위치에 따라 조금씩 다르지만 동남아라면 겨울부터 봄까지, 남미라면 봄부터 여름까지, 

호주라면 여름에서 겨울까지 남쪽 하늘을 바라보면 커다랗고 밝은 발광성운 ‘용골자리 대성운’을 만날 수 있다.

용골자리 대성운. <출처 : Lóránd Fényes (posted in APOD)>