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무거운 별의 폭발

별의 일생은 태어날 때의 질량과 주변 환경에 따라서 달라진다. 예를 들면, 태어날때의 초기 질량이 태양질량보다 최소 3배 정도 이상 무거운 별들은 초신성(Supernova), 중성자별이나 블랙홀등으로 생을 마감하며, 꽤나 폭발적이고 힘든 일생을 보내게 된다.

특히나 초신성은 매우 혼잡한 천체이다. 엄청나게 큰 질량이 유발하는 강한 중력으로 인한 수축 때문에 곧 폭발할 운명에 처하게 되는 별은 중성자 축퇴압이라는 반발력에 의해 멈추게 된다. 이로 인해 중심핵과 핵으로 쏟아져 내리던 외부 층이 차례대로 충돌하며 강력한 충격파가 발생하게 된다. 이에 외부 구조를 이루던 (철 이하의) 원소들은 급격한 핵반응을 시작하게 되며 별 전체가 핵반응을 일으키게 된다. 결국 초신성 폭발이 일어나게 된다. (관련 글 바로 보러 가기 - "태양 (3) - 초기 질량에 따라 달라지는 별의 미래")

하지만 우주 대부분의 별이 어두운 M등급의 별인점을 생각해보면 이러한 초신성은 우주에 많지 않다. 또한 무거운 질량일 수록 에너지의 소모가 빨라 수명이 매우 짧다. 따라서 초신성의 폭발은 쉽게 관측하기 힘들다.

은하 NGC 6946내 최근 폭발한 SN 2004et 그리고 SN 2017eaw의 위치, 키트 피크 국립 천문대에서 촬영. © NASA, ESA, CSA, Ori Fox (STScI), Melissa Shahbandeh (STScI)

제임스 웹, 불꽃놀이 은하 내 두개의 초신성을 자세히 관측하다

지구에서 약 2천 2백만광년 떨어진 곳에 NGC 6946이라는 은하가 있다. 위 은하가 특이한 점은 지구를 향하여 거의 정면을 바라보고 있으며 지난 세기동안 무려 12번이나 초신성 폭발이 관측되었다는 점이다. 종종 "불꽃놀이 은하 (Fireworks Galaxy)"로도 불리우는 위 은하는 여러 초신성을 가지고 있는데, 이 중 최근 폭발한 SN 2004et 그리고 SN 2017eaw등이 유명하다. 참고로 초신성은 Supernova의 줄임말 SN 뒤에 폭발한 년도가 붙으며 그 뒤에 발견된 순서대로 대문자 혹은 소문자 알파벳이 붙는다. 예를 들면 처음 26번째까지의 초신성은 대문자 A-Z까지 그 뒤로는 소문자 쌍이 붙고 그 뒤에는 소문자 세쌍등이 붙게된다.

미국의 독립기념일을 기념하여 제임스웹 우주망원경팀은 중적외선기기(MIRI)를 통해서 NGC 6946의 초신성들을 관측했다. 위에서 언급한 두 초신성이 관측되었는데 초기 연구 결과에 따르면 예상보다 많은 양의 먼지가 폭발한 초신성 주변에서 발견되었다고 한다.

미국의 독립기념일을 기념하여 제임스웹 우주망원경팀은 중적외선기기(MIRI)를 통해서 NGC 6946의 초신성들을 관측했다. © NASA, ESA, CSA, Ori Fox (STScI), Melissa Shahbandeh (STScI)

위 결과 이미지에는 나침반 화살표, 눈금 막대, 참고용 색상 키가 표시되어 있는데, 북쪽 및 동쪽 나침반 화살표는 하늘에서 이미지의 방향을 나타낸다. 눈금막대에는 2,600광년정도의 길이를 나타내며 이를 통해서 은하의 엄청난 크기를 짐작할 수 있다.

눈에 보이지 않는 중적외선 파장의 빛을 통해 관측했기에 위 결과를 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선 색상으로 변환했다. 아래는 빛을 수집할 때 사용된 MIRI 필터이 나열되어 있으며 각 필터 이름에 채색된 색상은 해당 필터를 통과하는 적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선 색상이며, 이 이미지에서 파란색, 녹색, 빨간색은 10, 11.3, 12.8, 15.0, 18, 21 마이크로미터 (각각 F1000W, F1130W, F1280W, F1500W, F1800W, F2100W)의 파장을 통해서 관측된 필터임을 알 수 있다.

SN2004 et과 SN 2017eaw 주위에 다량의 먼지가 있는 것으로 밝혀져

멜리사 사반데 박사(Dr. Melissa Shahbandeh)가 이끄는 국체 천문학팀이 분석한 결과에 따르면 II형 초신성(Type II supernova) SN2004 et과 SN 2017eaw 주위에 다량의 먼지가 있는 것으로 밝혀졌다.

관측 결과 SN 2004et 그리고 SN 2017eaw 초신성 주변에서 다량의 먼지가 발견되었다. SN 1987A에서 발견된 먼지의 양에 필적하는 대략 지구 질량 5,000배 이상의 먼지가 발견되었다. © Shahbandeh et al. 2023

초신성 주변에서 발견된 다량의 먼지 결과를 통해서 초신성이 초기 우주에 먼지를 공급하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다는 이론을 뒷받침하고 있다.

© NASA, ESA, CSA, Ori Fox (STScI), Melissa Shahbandeh (STScI)

먼지의 관측은 제임스 웹의 정교한 감도와 중적외선 파장을 이용한 관측 덕분에 가능한 일이었다. 죽어가는 별의 폭발 여파로 퍼지는, 즉 내부 충격에서 살아남은 더 차가운 먼지를 감지할 수 있다. 위 결과 이미지에서 파란색은 더 뜨거운 먼지를, 빨간색은 더 차가운 먼지를 나타낸다.

초신성의 먼지 연구에 있어서 큰 돌파구가 될 것으로 기대

이번 제임스 웹의 새로운 발견은 17만 광년의 위치에 존재하는 SN 1987A에서 새로이 형성된 먼지가 검출된 이후 두번째 발견이기에, 천문학자들은 위 연구가 초신성의 먼지 연구에 있어서 큰 돌파구가 될 것으로 기대하고 있다. 특히나 SN 2004et 주위에서는 SN 1987A에서 발견된 먼지의 양에 필적하는 대략 지구 질량 5,000배 이상의 먼지가 발견되었다. 이 때문에 중적외선 파장에서 SN 2004et가 SN 2017eaw보다 더 밝게 보인다.

푸른색으로 관측되고 있는 SN 2017eaw는 현재 SN 2004et보다 더 뜨겁고 적은 먼지를 가지고 있지만, 계산에 따르면 대략 13년 후에는 SN 2004et의 먼지양과 비슷한 먼지를 가지게 될 것으로 예측되고 있다.

먼지의 진화는 질량이 무거운 별들의 후기 진화 과정을 이해하는 데 필수적이다. © Shahbandeh et al. 2023

앞에서 언급된대로 초신성에서 주변에서 다량의 먼지가 발견된 점은 초신성이 초기 우주에 먼지를 공급하는 데 중요한 역할을 했다는 사실을 뒷받침하고 있다. 이에 천문학자들은 여러 논문 결과를 통해서 먼지가 많은 초신성 환경과 이들의 폭발에 관한 모식도를 제공하며, 먼지가 폭발 분출물에서 새로이 형성되거나 차갑고 밀도가 높은 껍질일 수 있음을 예측하고 있다. 연구팀은 또한 폭발 이전 질량 손실에 의해 형성된 항성 껍질로 이미 존재하고 있을 수도 있다고 주장했다.