태양 크기의 작은 별이 수소 등 연료를 핵융합에 모두 소진한 뒤 남는 작고 활동하지 않는 핵인 백색왜성(white dwarf)이 마지막에 두 번 폭발할 수 있음을 보여주는 증거가 처음으로 발견됐다.

호주 뉴사우스웨일스대 프리얌 다스 연구원(박사과정)이 이끄는 국제 연구팀은 3일 과학 저널 네이처 천문학(Nature Astronomy)에서 유럽남방천문대(ESO) 초거대망원경(VLT)으로 수백 년 된 초신성 잔해인 'SNR 0509-67.5'가 백색왜성이 두 번 폭발해 만들어진 것이라는 증거를 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 이는 이론적으로 예측돼왔지만 실제 관측되지 않아 수수께끼로 남아 있는 백색왜성에 의한 Ia형(Type Ia) 초신성 가운데 일부에서 이중폭발(double detonation)이 실제 일어났음을 보여주는 첫 증거라고 말했다.

초신성 대부분은 거대한 별들이 폭발하며 죽는 현상이지만, Ia형 초신성은 쌍성계 내 태양처럼 작은 별이 폭발하는 것으로 일반적인 초신성과는 다르다.

질량이 작은 별은 폭발하지 못하고 결국 쪼그라들어 백색왜성이 되지만, 쌍성계 별들이 서로 충분히 가까운 궤도를 돈다면 한 별이 동반별의 물질을 흡수해 임계질량에 도달하고 폭발을 일으켜 Ia 초신성이 될 수 있다.

연구팀은 문제는 일부 Ia형 초신성이 한 번의 폭발로는 설명되지 않는 특징을 가진 점이라며 일부 Ia형 초신성에서 임계 질량 도달 전 폭발이 한 번 더 일어난다는 가설이 제기됐지만 뒷받침할 증거는 관측되지 않았다고 말했다.

다스 연구원은 "백색왜성의 Ia형 초신성 폭발은 우주 팽창을 이해하는 데 중요한 역할을 하고 지구상 철(Fe)의 주된 공급원이기도 하지만 이런 폭발을 일으키는 정확한 메커니즘은 여전히 수수께끼"라고 말했다.

연구팀은 이 연구에서 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT)에 장착된 광시야 분광 관측기(MUSE)로 남반구 하늘 대마젤란운 방향으로 16만 광년 떨어진 초신성 잔해 SNR 0509-67.5를 정밀 관측했다.

SNR 0509-67.5는 약 400년 전 지구에서 관측 가능한 밝기로 폭발했을 것으로 추정되며, 이중 폭발 가능성이 있는 Ia형 초신성으로 분류돼 왔다.

MUSE 관측 분석 결과 SNR 0509-67.5에는 백색왜성이 폭발할 때 방출된 칼슘이 중심별에서 동심원 형태로 층을 이루고 있는 것으로 나타났다. 칼슘층이 2개 있다는 것은 폭발이 두차례 있었음을 의미하는 것으로 풀이된다.

연구팀은 이는 동반별에서 물질을 흡수한 백색왜성이 초신성 폭발을 일으킬 수 있는 일명 '찬드라세크라 한계 질량'에 도달하기 전 한 차례 더 폭발을 일으켰음을 명확히 보여주는 것이라고 말했다.

이어 백색왜성이 헬륨을 흡수해 주위에 헬륨층이 형성되면 불안정한 헬륨층이 발화해 첫 폭발이 일어나게 되고, 이 폭발의 충격파가 주변과 내부로 전달되면서 두 번째 폭발을 일으켜 초신성이 될 수 있다고 설명했다.

다스 연구원은 "Ia형 초신성은 일관된 방식의 폭발과 거리와 무관하게 예측 가능한 밝기로 우주 거리 측정에 사용되는 등 우주 연구에서 중요한 존재"라며 "이중 폭발의 증거는 발견이 오랜 수수께끼를 푸는 데 기여할 것"이라고 말했다.

◆ 출처 : Nature Astronomy, Priyam Das et al., 'Calcium in a supernova remnant shows the fingerprint of a sub-Chandrasekhar mass explosion', http://dx.doi.org/10.1038/s41550-025-02589-5