천문학에서 정의하는 ‘무거운 별’이란 질량이 대략 태양의 8배 이상인 별을 뜻한다. 그렇다면 이런 무거운 별의 특징은 태양과 같이 비교적 질량이 작은 별에 비해 어떻게 다를까? 또한 이런 별이 늙어서 죽는 순간 초신성 폭발을 일으키거나 블랙홀이 된다고 하는데 그 차이는 무엇일까?

우주를 공부하면 공부할수록 궁금증 또한 늘어만 가게 되는데, 이같은 궁금증을 해소할 수 있는 행사인 ‘스페이스 오페라(Space Opera)’ 여섯 번째 강연이 지난 7일 온라인상에서 열려 참가자들의 열띤 호응을 얻었다.

‘초신성과 중성자별, 그리고 블랙홀의 모체가 되는 무거운 별’이라는 주제로 발표한 윤성철 서울대 물리천문학부 교수의 강연은 그동안 블랙홀이 생겨난 원인을 궁금해하는 참가자들의 목마름을 충분히 적셔주는 지식의 향연으로 채워졌다.

과학 대중화를 목표로 설립된 카오스재단이 주최한 이번 행사는 태양계를 시작으로 행성과 은하 등 우주와 관련된 모든 것을 전문가들의 다양한 시각에서 바라보자는 취지로 마련됐다.

질량이 증가하면 별의 밝기도 증가

본격적인 강연에 앞서 윤 교수는 “하늘에 빛나는 별을 자세히 보면 그 색이 다 다르다는 것을 알 수 있다”라고 밝히며 “예를 들어 오리온 자리의 리겔처럼 푸른색을 띌수록 별의 온도가 높고 질량이 크다”라고 말했다.

별이 가진 질량과 밝기의 관계는 천체 물리학 법칙 중 하나다. 질량이 조금만 증가해도 별의 밝기가 많이 증가하는 현상을 파악한 법칙으로써 영국의 천문학자인 ‘아서 에딩턴(Arthur Eddington)’이 밝혀냈다.

윤 교수는 “태양보다 더 무거운 별이 수소 핵융합 반응을 다 마치면 베텔게우스처럼 거대한 적색초거성이 된다”라고 소개하며 “사람으로 치면 노인이 된 것 같은 적색초거성은 마지막 여생을 보내다가 초신성으로 장엄하게 폭발하거나 블랙홀로 붕괴하며 죽음을 맞이하게 된다”라고 덧붙였다.

흥미로운 점은 수천억개가 넘는 우리 은하의 별 중 무거운 별이 차지하는 비중은 0.5%에 불과하지만, 무거운 별이 우주의 역사와 생명의 기원에 대단히 중요한 역할을 맡고 있다는 점이다.

윤 교수의 설명에 의하면 무거운 별들로의 진화는 모두 수소의 핵융합으로부터 시작된 것으로 나타났다. 사실 과거 천문학자들은 태양을 포함한 별들이 어떻게 그렇게 많은 양의 에너지를 오랫동안 낼 수 있는지 의문을 가졌다.

태양의 경우만 해도 매년 4조 와트에 달하는 에너지를 45억 년 동안이나 끊임없이 방출해 왔는데, 이는 과거의 과학기술 수준으로는 해석하기 어려운 에너지 시스템이었기 때문이다.

그런 의문을 풀어준 과학자가 바로 앞서 소개한 아서 에딩턴이다. 그는 1930년대에 접어들면서 아인슈타인의 이론을 바탕으로 하여 태양의 에너지원이 수소 핵융합 반응일 것이라는 가설을 제시했다.

이후 독일의 천문학자인 ‘한스 베테(Hans Bethe)’가 1939년 이를 이론적으로 입증하는데 성공했다. 이후 핵융합은 원자폭탄 개발 과정에서 핵분열과 함께 연구가 진행되었고, 지난 1952년에 역사상 최초의 수소폭탄 실험이 실시되면서 태양의 에너지원이 수소 핵융합 반응이라는 사실을 실질적으로 확인했다.

무거운 별은 초신성 폭발로 이어져

지난해 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)은 허블 우주망원경은 허블 우주망원경을 이용하여 2,400광년 떨어진 우주에서 초신성(supernova)이 폭발하며 죽어갈 때 내뿜은 충격파의 이미지를 공개하여 화제를 모았다.

폭발한 초신성은 태양 질량의 약 20배에 달하는데, 이를 촬영한 과학자들은 초신성 폭발의 잔해가 2만 년 전 폭발 시 생긴 충격파의 가장 바깥쪽 가장자리로 추정했다.

초신성이란 평상시에 관측하기 힘들 정도로 어두운 별이 갑자기 큰 폭발을 일으켜 밝기가 커지는 현상을 말한다. 별이 폭발할 때 갑자기 밝아져서 마치 새로운 별처럼 보이는 것을 신성이라고 하는데, 그중에서도 밝기가 특히 밝아서 초신성이라고 부르는 것이다.

윤 교수는 “초신성은 태양보다 적게는 수억 배에서 많게는 수천억 배가 더 밝다”라고 설명하며 “은하 전체, 또는 그 이상의 공간을 밝힐 정도로 엄청난 밝기를 자랑한다”라고 전했다.

그는 초신성 폭발에 따른 감마선의 존재에 대해서도 언급했다. 감마선은 치명적인 우주 방사선중 하나로서, 과거 지구가 겪어온 여러 차례의 대멸종 중 적어도 한 차례 이상에 감마선이 관여했을 것으로 과학자들은 추정하고 있다.

실제로 지난해 미국의 일리노이대 연구진이 발표한 자료에 따르면 지금으로부터 약 3억 6천만 년 전에 발생한 대멸종의 원인이 초신성 폭발에 의한 우주 방사선일 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다.

이처럼 지구 대멸종의 원인을 제공한 감마선 때문에 사람들은 또다시 그런 비극을 겪는 것이 아닌지를 걱정하는 경우가 많다. 하지만 과거 네덜란드 연구진이 밝힌 결과를 살펴보면 지구가 감마선 폭발로부터 안전한 것으로 드러났다.

발표를 마무리하며 윤 교수는 “중성자별들이 충돌했다는 관측적 증거로는 킬로노바(Kilonova)를 꼽을 수 있다”라고 말하며 “이때 금은 물론 백금과 우라늄, 그리고 희토류 물질이 생성될 것으로 예측하고 있다”라고 밝혔다.