“기존의 별 진화 계산법 틀렸다?”

행성상 성운과 항성풍 형성, 처음으로 상세히 관측

벨기에 루뱅 가톨릭대(KU Leuven) 천문학자들이 우주를 수놓는 행성상 성운(planetary nebulae)들이 어떻게 그렇게 다채롭고 매혹적인 모양을 형성하는지에 대해 처음으로 자세한 설명을 제시했다.

이번 발견은 늙어가는 별 주위에서 부는 항성풍(stellar winds)에 대한 일련의 놀라운 관측을 기반으로 했다. 연구팀은 일반적인 합의와 달리, 항성풍이 둥근 구형이 아니라 행성상 성운과 비슷한 모양을 하고 있다는 사실을 발견했다.

이들은 항성이 동반하고 있는 별이나 외계행성과의 상호작용으로 인해 항성풍과 행성상 성운의 모습이 형성된다는 새로운 사실을 밝혀내 과학저널 ‘사이언스’ 최근호에 발표했다. <관련 동영상>

또 이번 연구 결과 기존의 항성풍 개념을 전제로 한 별의 진화 계산에 오차가 있을 것으로 예상돼 새로운 계산법이 나와야 할 것으로 연구팀은 보고 있다.

태양에서 약 780 광년 떨어져 있는 아퀼라 성좌에 있는 변광성인 R Aquilae의 항성풍은 장미 꽃잎과 구조가 비슷하다. © L. Decin, ESO/ALMA

둥근 별이 어떻게 다양하고 다채로운 모습 만드나

죽어가는 별은 부풀어 올랐다가 냉각돼 적색 거성(red giants)이 된다. 그리고 이 적색 거성은 다시 백색왜성으로 변화한다.

적색 거성은 별이 방출하는 입자의 흐름인 항성풍을 만들어내 질량을 잃게 되는데, 천문학자들은 그동한 자세한 관측이 부족해 이 항성풍이 항상 별처럼 둥근 구형이라고 생각해 왔다.

별은 진화하면서 다시 가열돼 항성 복사를 하게 되고 이 항성 복사는 분출하는 항성 물질 층을 팽창시켜 빛을 발하게 하면서 행성상 성운을 형성한다.

지난 수 세기 동안 천문학자들은 관찰된 행성상 성운들이 왜 그렇게 놀랍도록 다양하고 다채로운 모습을 하고 있는지 알지 못했다. 성운은 모두가 대칭을 이루는 것처럼 보이지만 사실은 대부분이 결코 둥글지 않다는 사실이 이번 연구에서 밝혀졌다.

논문 교신저자인 벨기에 루뱅 가톨릭대 물리 및 천문학과 린 데신(Leen Decin) 교수는 “궁극적으로 적색 거성이 될 태양은 당구공처럼 둥글다”며, “우리는 어떻게 그렇게 둥근 별이 다양한 모양들을 만들어낼 수 있는지 궁금했다”고 말했다.

데신 교수팀은 세계에서 가장 큰 전파망원경인 칠레 아타카마 사막의 ALMA 전파망원경 배열을 활용해 차가운 적색 거성들 주위의 항성풍을 관찰했다.

이들은 처음으로 각각의 별들에 대해 정확히 똑같은 방법으로 대규모의 상세한 관찰 기록을 수집했다. 이 같은 방식은 데이터를 직접 비교하고 편향을 배제하는데 중요했다.

연구팀은 비교 결과를 보고 크게 놀랐다. 데신 교수는 “우리는 이런 항성풍들이 대칭적이거나 둥글지 않다는 사실을 알아냈다”고 말하고, “이들 중 일부는 실제로 행성상 성운과 모양이 매우 비슷하다”고 설명했다.

차가운 늙은 별들 주위에서 부는 항성풍 이미지들. 원뿔과 나선형을 포함한 다양한 형태를 보여준다. 파란색은 관찰자에게 다가오는 물질이고, 빨간색은 반대로 멀어지는 물질이다. © L. Decin, ESO/ALMA

동반성들이 항성풍 모양에 영향 미쳐

천문학자들은 다양한 범주의 모양을 식별해 낼 수 있다. 데신 교수는 “일부 항성풍은 원반 모양이고, 다른 일부는 나선 모양을 포함하고 있으며, 세 번째 그룹은 원뿔 모양을 하고 있다”고 전했다.

이 같은 사실은 항성풍의 모양이 명백하게 무작위로 생성되지 않았음을 나타낸다. 연구팀은 죽어가는 별 근처에 있는 다른 질량이 작은 별 또는 무거운 행성까지도 서로 다른 패턴을 형성한다는 사실을 깨달았다.

이런 동반성(companions)들은 너무 작아서 직접 감지할 수가 없다. 데신 교수는 “커피에 우유를 넣어 스푼으로 저으면 나선형 패턴을 만들 수 있는 것처럼, 동반성이 항성 주위를 돌면서 자신에게 향해 있는 물질들을 빨아들여 항성풍을 형성한다”고 설명했다.

연구팀은 이 이론을 모델에 적용했다. 실제로 항성풍의 모양은 항성 주위를 둘러싼 동반성들에 의해서 설명될 수 있고, 차갑게 진화된 별이 항성풍으로 인해 질량을 잃는 비율은 중요한 매개변수가 됐다.

데신 교수는 “우리가 수행한 모든 관측은 항성들이 동반자를 가지고 있다는 사실로 설명될 수 있다”고 말했다.

지금까지 별의 진화에 대한 계산은 태양과 같이 늙어가는 항성들이 구형의 항성풍을 가지고 있다는 가정을 기초로 했다. 그러나 이번 발견으로 이런 계산이 크게 바뀔 것으로 보인다.

데신 교수는 “과거에는 항성풍의 복잡성이 고려되지 않았기 때문에 늙은 별들의 질량 손실률 추정치는 최대 10배까지 틀릴 수 있다”고 지적했다.

연구팀은 이런 사항이 항성과 은하 진화의 다른 중요한 특성 계산에 어떤 영향을 미치는지를 알기 위해 추가 연구를 진행하고 있다.

이번 연구를 위해 정밀 자료를 얻은 칠레 아타카마 사막 ALMA 전파망원경 관측소. 하늘 위에 은하수가 펼쳐져 있다. © Y. Beletsky (LCO)/ESO

“태양이 늙어 소멸할 때는 약한 나선형의 항성풍 형성”

이번 연구는 또한 태양이 70억 년 안에 소멸할 때 어떤 모습을 하고 있을지를 상상하는 데도 도움을 준다.

데신 교수는 “목성이나 토성은 질량이 매우 크기 때문에 태양이 생애 마지막 천 년 동안 우리가 오늘날 행성상 성운에서 보는 것처럼 나선형이나 나비 모양 혹은 다른 어떤 매혹적인 모습을 할지에 영향을 미칠 것”이라고 말했다.

그는 “우리 계산에 따르면 사라져 가는 늙은 태양은 약한 나선형의 항성풍을 형성할 것으로 보인다”고 전망했다.

논문 공저자인 루뱅 가톨릭대 미겔 몽따르제(Miguel Montargès) 박사후 연구원은 “우리는 첫 번째 이미지를 보고 매우 흥분했다”며, “이전에는 단지 하나의 숫자에 불과했던 각각의 별들이 이젠 그 자체로 독립적인 개체가 됐다”고 말했다.

몽따르제 연구원은 “우리에게 그 별들이 각각의 정체성을 지닌 개체로 받아들여지는 것은 바로 고정밀 관측의 마법으로서, 별들은 이제 더 이상 점이 아니다”라고 강조했다.

이번 연구는 늙은 별들의 물리 화학 연구에 목표를 둔 아토미엄(ATOMIUM) 프로젝트의 일부로 수행됐다.

데신 교수는 “차갑게 노화돼 가는 별들은 지루하고 늙고, 단순해 보이지만, 그와 달리 이 별들이 앞으로도 할 이야기가 있다는 것을 우리가 이번에 증명했다”며, “항성풍이 장미 꽃잎 모양을 가질 수 있다는 사실을 깨닫는데 다소 시간이 걸렸다”고 말했다.

그는 생텍쥐페리가 ‘작은 왕자(Le Petit Prince)’에서 말한, ‘당신의 장미를 그렇게 소중하게 만드는 것은 바로 장미에 바친 시간’이라는 글귀로 천문학자들의 노력을 비유했다.

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