태양보다 10~100배 큰 별이 최후를 맞아 초신성 폭발을 일으키기 전 비교적 가벼운 원소들로 된 외부 층들이 사라지고 규소·황 같은 무거운 원소로 이루어진 내부 층들이 드러나 있는 별이 처음으로 포착됐다.

미국 노스웨스턴대 스티브 슐츠 박사팀은 21일 과학 저널 네이처(Nature)에서 2021년 9월 처음 관측된 초신성 'SN 2021yfj'가 산소·헬륨 등으로 이루어진 외부 층들이 대부분 사라지고 규소, 황, 아르곤 같은 무거운 원소들로 된 내부 층이 드러난 상태인 것으로 분석됐다고 밝혔다.

연구팀은 별이 초신성으로 폭발하면서 내부 구조를 드러내는 것은 매우 드문 우주적 사건이라며 이 발견은 별 진화에 대한 통찰을 제공하고, 생애 말기에 가까워진 별의 내부 구조에 대한 기존 이론의 예측을 확인해준다고 말했다.

태양보다 10~100배 더 무거운 거대한 별들은 수소·헬륨 핵융합으로 점점 더 무거운 원소들을 생성하는데, 핵에 가까울수록 더 높은 압력과 열로 인해 생성되는 원소가 더 크고 무거워진다.

기존 이론은 이렇게 만들어진 원소들이 핵을 중심으로 바깥쪽부터 가벼운 원소가 양파 같은 층 구조를 이룰 것으로 예측하고, 맨 안쪽에 자리 잡은 철(Fe) 핵이 붕괴하면 초신성 폭발을 일으키거나 블랙홀이 된다고 설명한다.

연구팀은 생애의 끝에 다다른 거대한 별들은 원소들이 질량에 따라 중심부터 외부까지 층 구조를 이루는 것으로 추정돼 왔지만 초신성 폭발이 일어나면 층들이 모두 뒤섞여 이런 층을 관측하기는 어려웠다고 지적했다.

이들은 이 연구에서 캘리포니아주 팔로마천문대의 광역 천체 관측장비 '츠비키 순간포착 시설'(ZTF)로 2021년 9월 포착한 'SN2021yfj'의 스펙트럼을 정밀 분석, 지금까지 관측된 폭발 전 초신성들과는 확연히 다른 점을 발견했다.

기존 폭발 전 초신성들은 대부분 바깥쪽 수소층 정도가 사라지고 헬륨이나 탄소/산소층들이 관측되는 반면, SN 2021yfj는 훨씬 무거운 원소인 규소, 황, 아르곤 같은 무거운 원소들로 이루어진 내부 층까지 드러나 있는 것으로 나타났다.

슐츠 박사는 "이렇게 뼈대만 남을 정도로 외부 층이 벗겨진 별을 관측한 것은 이번이 처음"이라며 "이는 별이 어떻게 구조화돼 있는지 보여주고, 별들이 초신성 폭발을 일으키기 전 많은 물질을 잃을 수 있음을 증명한다"고 말했다.

하지만 바깥쪽 층들이 어떻게 사라진 것인지는 여전히 미스터리로 남는다.

연구팀은 거대한 별들은 보통 폭발 전 외부 층이 사라지지만 SN2021yfj는 이전에 관측된 별들보다 훨씬 많은 물질을 방출했다며 이는 무거운 원소로 된 외부 층들을 날려버릴 정도로 격렬하고 드문 사건이 있었음을 시사한다고 설명했다.

이어 정확한 원인은 알 수 없지만 잠재적인 동반별(companion star)과의 상호작용, 거대한 초신성 전 단계 폭발, 비정상적으로 강한 항성풍 등이 그 원인일 수 있다고 덧붙였다.

슐츠 박사는 "이 별은 생애 동안 만들어낸 대부분의 물질을 잃었고 우리는 폭발 직전 몇 달간 형성된 물질만 볼 수 있었다"며 "매우 폭력적인 어떤 사건이 바깥쪽의 무거운 원소층을 날려버렸음에 틀림없다"고 말했다.

◆ 출처 : Nature, Steve Schulze et al., 'Extremely stripped supernova reveals a silicon and sulfur formation site', https://www.nature.com/articles/s41586-025-09375-3