8천만 광년 떨어진 초신성, 폭발원리 최초 규명

국내 연구진이 8천만 광년 밖 초신성의 새로운 폭발 원리를 최초로 규명했다.

미래창조과학부는 서울대 물리천문학부 임명신 교수 연구팀이 지구로부터 8천만 광년 떨어진 제1a형 초신성의 폭발 장면을 포착해 이 초신성이 기존 가설과 달리 백색왜성과 보통별의 상호작용으로 발생할 수 있다는 새로운 가설의 관측증거를 세계최초로 제시했다고 7일 밝혔다.

초신성(supernova)은 진화의 마지막 단계에 이른 별이 폭발하면서 그 밝기가 평소의 수억 배에 이른 별로 마치 새로운 별이 생겼다가 사라지는 것처럼 보이기 때문에 초신성이라고 하며, 쌍으로 이루어진 별 중 하나가 나머지 다른 별의 물질을 받아들여 폭발할 때 제1a형 초신성이라고 한다.

또한 제1a형 초신성은 백색왜성이 쌍으로 존재하는 적색거성의 물질을 급격히 흡수하면서 일어난다고 받아들여지고 있다.

이번 연구에 사용된 제1a형 초신성 SN 2015F가 나타난 NGC 2442 은하의 모습. NGC 2442는 약 8000만 광년 떨어진 곳에 있는 나선은하이며 지구 남반구에서만 관측 가능. 그림에서 노란색 박스로 표시된 부분에서 초신성 폭발이 있어남

제1a형 초신성은 최근 노벨상을 받은 ‘우주의 가속팽창을 밝히는 연구’에 사용되는 등 현대 천문학 연구에서 매우 중요한 천체현상이다. 그럼에도 그 폭발 메커니즘은 아직까지 제대로 규명되지 않았다. 제1a형 초신성의 최대밝기는 매우 밝고 모두 비슷해 먼 은하까지의 거리를 재는 도구로도 사용되고 있다.

그동안 제1a형 초신성은 백색왜성(항성이 최종적으로 진화한 상태로 별이 대기를 잃어 매우 작은 상태로 수축되어 있어 ‘왜성’이라고 부름)이 쌍으로 존재하는 적색거성(항성이 백색왜성으로 변하기 전에 거치는 진화단계로 항성대기가 매우 부풀 어올라 태양 직경의 수백 배 수준으로 매우 크게 변한 상태)의 물질을 급격히 흡수하면서 일어난다고 받아들여져 왔다. 그러나 다른 방식의 폭발 가능성도 제시돼 지난 수십 년 간 논란거리였다.

제1a형 초신성의 폭발 메커니즘은 폭발 순간에 일어나는 섬광현상을 이용해 확인할 수 있다. 섬광은 초신성 폭발 시 발생하는 충격파가 함께 있는 별(동반성)과 충돌하면서 빛을 내는 현상으로, 동반성의 크기가 클수록 더 밝다. 적색거성과 백색왜성으로 이루어진 초신성 폭발의 섬광은 태양과 같은 보통별-백색왜성 초신성의 폭발에 비하여 수십 배 이상 더 밝다.

SN 2015F 초신성 폭발의 모습. 왼쪽 3월 7일 이미지에 아무천체가 없던 자리에서(화살표로 표시), 3월8일 초신성이 나타난 것을 볼 수 있다(왼쪽에서 두 번째). 이후 3월 9일과 3월 10일 이미지에서 이 초신성이 점점도 밝아지는 모습이 보인다(오른쪽 두 개의 이미지들).

이러한 섬광현상은 짧게는 몇 시간에서 길게는 수 일 밖에 지속되지 않기 때문에 포착하기가 매우 어렵다. 연구진은 세계 각지에 있는 망원경을 이용해 가까운 은하 수십 개에 대해 매일 수차례 씩 모니터링 탐사관측을 수행하던 중, 호주에 설치된 ‘이상각 망원경’을 이용해 지구로부터 8천만 광년 떨어진 곳에 있는 은하(NGC 2442)에서 2015년 3월 8일에 제1a형 초신성(SN 2015F) 폭발의 순간과 섬광현상을 포착하는데 성공했다. 이 섬광의 밝기를 통해 폭발한 백색왜성의 동반성 크기가 태양과 비슷한 보통별임을 알아낸 것.

연구진은 제1a형초신성 SN 2015F의 폭발이 백색왜성-적색거성이 아니라 백색왜성과 태양 크기의 주계열성(보통별)의 상호작용에 기인한다는 것을 알아냈다. 이러한 사실을 관측해 확인한 것은 이번이 세계 최초이다.

이러한 연구를 계속해 제1a형 초신성 폭발메커니즘을 확실히 규명할 경우, 초신성을 이용하는 우주의 팽창 연구의 발전에도 기여할 것으로 보인다.