우주 거대한 별이 폭발도 없이 사라졌다… '초신성→블랙홀' 공식이 무너졌다

[お持て成し]

거대한 별이 폭발도 없이 사라졌다… '초신성(supernova)→블랙홀' 공식이 무너졌다 / 2월 21일(토) / 한겨레 신문

[곽노필의 미래의 창]

[사진] 거대한 별의 핵이 핵융합 연료를 다 써버리고, 붕괴하면서 두꺼운 가스와 먼지 쉘을 방출하는 모습을 그린 그림. 중심부에서는 뜨겁고 밀도가 높은 가스 덩어리가 블랙홀로 떨어지고 있다=미국 항공우주국 제공

일반적인 항성 진화 이론에 따르면, 별이 핵융합 연료를 모두 소진하면 중력의 힘에 끌려 중심 핵이 붕괴하기 시작한다. 태양과 같은 질량을 가진 별은 이 과정에서 점차 작아져 백색왜성으로서 생을 마감한다.

반면, 태양 질량의 8배가 넘는 거대한 별은 급격한 중력 붕괴에 대한 반발력으로 초신성 폭발을 일으키고, 이후 중성자별이나 블랙홀로 변한다.

하지만 일부 과학자들은 태양 질량의 16배 이상 무게가 가장 무거운 별에는 초신성 폭발 모델을 적용할 수 없을 가능성이 있다고 주장한다. 이처럼 거대한 별들의 중심핵은 붕괴 속도가 매우 빨라 초신성 폭발이 일어나기도 전에 블랙홀로 변할 가능성이 있다.

그들은 이 주장을 뒷받침하는 근거로, 일반적으로 초신성이 발견되면 이전 관측 데이터에서 폭발 전의 원시 별(progenitor)을 찾을 수 있지만, 태양 질량의 16배 이상일 경우에는 그것이 발견되지 않는다는 점을 제시하고 있다.

하지만 ‘실패한 초신성’(failed supernova)의 현장을 포착하는 일은 매우 어렵다. 은하수에서는 초신성 폭발이 1세기에 몇 차례밖에 일어나지 않으며, 다른 은하들은 매우 멀리 떨어져 있어 관측이 어렵기 때문이다.

미국 콜럼비아 대학 연구팀이 지구에 가장 가까운 대형 은하인 안드로메다 은하에서 해당 사례를 발견하고, 국제 학술지 ‘사이언스’에 공개했다.

연구팀은 현재 퇴역한 미국 항공우주국(NASA)의 적외선 우주망원경 ‘네오와이즈’(NEOWISE)의 관측 데이터를 찾던 중, 안드로메다 은하에서 2014년에 밝아졌다가 몇 년 뒤 어두워진 별 ‘M31-2014-DS1’를 발견했다. 연구팀은 2023년에 허블 우주망원경으로 이 별의 현재 모습을 관측하려 했지만, 빛이 매우 희미해 가시광선 카메라로는 전혀 포착하지 못했다. 결국 연구팀은 강력한 적외선 관측 능력을 갖춘 제임스 웹 우주망원경을 이용해 이 천체를 관측할 수 있었다.

연구팀이 출판 전 논문 공유 아카이브에 최근 공개한 관측 결과에 따르면, 제임스 웨브는 초당 100킬로미터 속도로 팽창하는 매우 미세한 빛의 가스와 먼지 껍질을 포착했다. 연구팀은 이것이 핵 붕괴 직전에 방출된 별의 외층이라고 추정했다. 원래 별은 태양 질량의 13배였지만, 현재는 대부분의 물질을 방출해 태양 질량의 5배까지 감소한 상태였다. 연구팀은 “별의 밝기가 극적으로 지속적으로 감소하는 현상은 매우 예외적이며, 이는 초신성 폭발이 일어나지 않고 별의 핵이 직접 블랙홀로 붕괴했음을 시사한다”고 밝혔다.

연구팀은 검증을 위해 X선 우주망원경 ‘찬드라’를 이용해 다시 이 별을 관측했다. 그 결과, 블랙홀이 물질을 흡입할 때 보통 방출하는 X선은 관찰되지 않았다. 하지만, 이것은 예상했던 결과였다. 가스와 먼지 쉘이 블랙홀에서 나오는 X선이나 다른 빛을 흡수한 뒤 가열되어 적외선 형태로 다시 방출되기 때문이다.

■ 실패한 초신성, 여기저기 블랙홀을 만들었을 가능성도 있다

이번 연구를 주도한 키샤레이·데 교수(천문학)는 “이 정도 질량을 가진 별은 언제나 초신성으로 폭발한다고 여겨져 왔다”고 말한 뒤, “하지만 이 별이 폭발하지 않은 것은 같은 질량의 별이라도 폭발에 성공할 수도 있고 실패할 수도 있음을 시사한다”고 덧붙였다. 교수는 “이는 아마도 죽어가는 별 내부에서 중력과 가스압, 그리고 강력한 충격파가 복잡하게 상호작용하는 방식에 의한 것”이라고 설명했다.

하지만 연구에 참여하지 않은 영국 리버풀 존 무어 대학의 엠마 비저 교수(천문학)는 이 별을 실패한 초신성이라고 단정하기는 어렵다고 과학 분야에 말했다. 원래 별의 질량인 태양의 13배는 실패한 초신성 모델을 적용하기엔 가벼운 질량이기 때문이다. 비저 교수는 더 나아가 제임스 웨브와 찬드라 X선 망원경의 데이터가 ‘두 별의 합성’으로 만들어졌을 가능성이 있다고 지적했다. 두 개의 별이 하나가 될 때, 엄청난 양의 먼지를 생성해 별빛을 완전히 가렸을 가능성도 있다고 한다.

이번 연구가 주장하듯이, 상대적으로 질량이 작은 별도 곧 블랙홀로 붕괴할 가능성이 있다면, 실패한 초신성은 과학자들이 생각하는 것보다 훨씬 많을지도 모른다.

비저 교수는, 만약 실패한 초신성이 사실이라면, 이는 은하 진화와 관련해 중요한 의미를 가진다고 말했다. 초신성은 철이나 칼슘 같은 무거운 원소를 우주에 공급하는 역할을 하지만, 초신성 폭발이 드물지 않다면 은하의 진화 속도는 예상보다 훨씬 느리게 진행되고 있을 가능성이 있다.

또한, 실패한 초신성은 물질을 대량으로 방출하지 않기 때문에 블랙홀을 훨씬 효율적으로 만들 수 있다. 이는 과학자들의 예상보다 무거운 블랙홀들이 서로 충돌하면서 발생하는 중력파가 감지되었다는 점도 설명할 수 있다.

데 교수는 “거대한 별이 폭발도 흔적도 없이 사라졌음에도 불구하고 5년 넘게 아무도 눈치채지 못했다는 사실은 충격적이다”라며, “이번 연구는 블랙홀과 연결된 이 종류의 별 붕괴가 과학자들이 생각했던 것보다 더 자주 일어날 가능성을 시사한다”고 말했다.

*논문 정보
Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole.
http://dx.doi.org/10.1126/science.adt4853

곽노필 선임 기자 (문의: japan@hani.co.kr )

巨大な星が爆発もなく消えた…「超新星→ブラックホール」の公式崩れる

巨大な星が爆発もなく消えた…「超新星→ブラックホール」の公式崩れる（ハンギョレ新聞） -

巨大な星が爆発もなく消えた…「超新星→ブラックホール」の公式崩れる / 2/21(土) / ハンギョレ新聞

[クァク・ノピルの未来の窓］

巨大な星の核が核融合燃料を使い果たし、崩壊しながら厚いガスとダストシェルを放出する様子を描いた絵。中心部では、熱く密度の高いガスの塊がブラックホールへと落ちている＝米航空宇宙局提供

　一般的な恒星進化理論によれば、星は核融合の燃料をすべて燃やし尽くすと、重力の力に引っ張られて中心核が崩壊しはじめる。太陽と同様の質量を持つ星は、この過程で徐々に小さくなり、白色矮星として生涯を終える。

　一方、太陽の質量の8倍を超える巨大な星は、急激な重力崩壊に対する反発力で超新星爆発を起こし、その後中性子星やブラックホールになる。

　ところが、一部の科学者は太陽の質量の16倍以上の最も重い星には超新星爆発モデルが適用できない可能性があると主張している。このように巨大な星たちの中心核は崩壊速度が非常に速く、超新星爆発を引き起こす間もなくブラックホールになってしまう可能性があるという。

　彼らはこの主張を裏付ける根拠として、通常は超新星が発見されると以前の観測データから爆発前の元の星（progenitor）を見つけることができるが、太陽の質量の16倍以上の場合はそれが発見されない点を挙げている。

　しかし、「失敗した超新星」（failed supernova）の現場を捉えることは非常に難しい。天の川銀河では超新星爆発は1世紀に数回しか起こらず、他の銀河は非常に遠いため観測が困難であるからだ。

　米国コロンビア大学の研究チームが、地球に最も近い大型銀河であるアンドロメダ銀河で該当する事例を発見し、国際学術誌「サイエンス」にて公開した。

　研究チームは現在は退役した米航空宇宙局（NASA）の赤外線宇宙望遠鏡「ネオワイズ」（NEOWISE）の観測データを探しているうちに、アンドロメダ銀河で2014年に明るくなり、数年後に暗くなった星「M31-2014-DS1」を発見した。研究チームは2023年にハッブル宇宙望遠鏡でこの星の現在の姿を観測しようとしたが、光が非常に薄くなり、可視光カメラには全く捉えられなかった。最終的に、研究チームは強力な赤外線観測能力を備えたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を利用してこの天体を観測することができた。

　研究チームが出版前の論文共有アーカイブにて先日公開した観測結果によると、ジェームズ・ウェッブは秒速100キロメートルの速度で膨張する非常に微弱な光のガスとダストシェルを捉えた。研究チームは、これが核崩壊直前に放出された星の外層であると推測した。元の星は太陽質量の13倍だったが、現在はほとんどの物質を放出し、太陽質量の5倍にまで減少した状態だった。研究チームは「星の明るさが劇的に継続的に減少する現象は非常に例外的であり、これは超新星爆発が起きず、星の核が直接ブラックホールへと崩壊したことを示唆している」と述べた。

　研究チームは検証のため、X線宇宙望遠鏡「チャンドラ」を使って再びこの星を観測した。その結果、ブラックホールが物質を吸い込む際に通常放出するX線は見られなかった。 だが、これは予想されていた結果だった。ガスとダストシェルがブラックホールから出るX線や他の光を吸収した後、加熱されて赤外線の形で再び放出されるからだ。

■ 失敗した超新星、あちこちにブラックホールを作った可能性も

　今回の研究を主導したキシャレイ・デ教授（天文学）は、「このくらいの質量を持つ星は常に超新星として爆発すると考えられてきた」としたうえで、「しかし、この星が爆発しなかったことは、同じ質量の星であっても爆発に成功することもあれば、失敗することもあることを示唆している」と語った。教授は「これはおそらく、死んでいく星の内部で重力とガス圧、そして強力な衝撃波が複雑に相互作用する方式によるものだ」と説明した。

　しかし、研究に参加していないイギリスのリバプール・ジョン・ムーア大学のエマ・ビーザー教授（天文学）は、この星を失敗した超新星と断定するのは難しいとサイエンスに語った。元の星の質量である太陽の13倍は、失敗した超新星モデルを適用するには軽い質量であるためだ。ビーザー教授はさらに、ジェームズ・ウェッブとチャンドラX線望遠鏡のデータは「二つの星の合体」によって作られた可能性があるとも指摘した。二つの星が一つになる際、膨大な量の塵を生成し、星の光を完全に遮ってしまった可能性もあるという。

　今回の研究が主張するように、相対的に質量が小さい星もすぐにブラックホールに崩壊する可能性があるなら、失敗した超新星は科学者たちが考えるよりもはるかに多いかもしれない。

　ビーザー教授は、もし失敗した超新星が事実であれば、これは銀河の進化に関連して重要な意味を持つと述べた。超新星は鉄やカルシウムのような重い元素を宇宙に供給する役割を果たしているが、超新星爆発が珍しくないなら、銀河の進化速度は予想よりもはるかに遅く進んでいる可能性がある。

　また、失敗した超新星は物質を大量に放出しないため、ブラックホールをはるかに効率的に作ることができる。これは、科学者たちの予想よりも重いブラックホールが互いに衝突することで発生する重力波が検出されたことも説明できる。

　デ教授は「巨大な星が爆発も痕跡もなく消えたのに、5年以上誰も気づかなかったという事実は衝撃的」だとし、「今回の研究は、ブラックホールにつながるこの種の星の崩壊が科学者たちが考えていたよりも頻繁に起こる可能性があることを示唆している」と語った。

*論文情報
Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole。
http://dx.doi.org/10.1126/science.adt4853

クァク・ノピル先任記者　(お問い合わせ japan@hani.co.kr )