초신성폭발로 밝힌 폭발 직전의 활발한 별의 모습

현재의 태양은 중심부의 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵반응으로 얻어지는 에너지로 자신을 지지하고 있습니다. 중심부분의 수소가 없어져 버리면 핵반응 에너지가 없어져 중심부가 무너져 갑니다. 그러나 어느 정도 무너지면 헬륨을 탄소나 산소로 바꾸는 핵반응이 일어나기에 충분한 밀도와 온도가 되어 계속해서 핵반응으로부터 얻어지는 에너지로 별이 계속 지탱됩니다.

그 후 중심부의 헬륨도 사라집니다. 다시 핵반응으로 자신을 지지하는 에너지를 얻을 수 없게 되고 별의 중심은 붕괴하기 시작합니다. 태양 정도의 질량(2×10^30kg)을 가지는 별의 경우 이 때 중심부에서 양자역학적 압력인 전자의 축퇴압이 자중을 지지하기에 충분히 커져 더 이상 붕괴하지 않습니다. 이 상태의 별에서는 중심부에서 더 이상 핵반응은 일어나지 않고 이윽고 탄소와 산소로 구성된 백색왜성이 됩니다.

태양의 약 10배 이상의 질량을 가진 대질량 별도 중심부의 헬륨이 다한 후에 붕괴되기 시작합니다. 그러나 축퇴압이 중심을 지지하기에 충분한 강도가 되기 전에 탄소의 핵반응이 일어나기에 충분한 밀도와 온도에 도달하기 때문에 다시 핵반응에 의한 에너지로 별이 지탱됩니다. 중심부가 철로 채워질 때까지 차례로 더 무거운 원소를 합성하는 핵반응을 일으켜 그 에너지로 별을 계속 지탱합니다.

대질량 별의 중심부는 핵반응의 진행과 함께 수축해 가는데 반해 별의 외층은 부풀어 갑니다. 태양의 10배 이상의 질량을 가지는 별은 태어난 직후는 태양의 5~10배 정도의 반경을 가지지만 중심부를 철이 차지할 때에는 종종 태양의 500~1000배 정도의 반경을 가진 적색 초거성이라는 별이 됩니다.

적색 초거성은 매우 밝기 때문에 표면에서의 방사압이 강하고 방사압에 의해 별의 표면이 조금씩 벗겨져 갑니다. 적색 초거성은 연간 대략 태양질량의 1만분의 1~10만분의 1의 질량을 표면에서 잃습니다. 적색 초거성의 질량방출은 대질량 별의 표면에서 일어나는 일로 철에 이르는 중심부에서의 진화와는 직접 관련이 없다고 생각되어 왔습니다.

대질량 별은 철이 합성될 때까지 핵반응에 의해 더 무거운 원소를 합성함으로써 별을 지지하는 에너지를 얻습니다. 그러나 철은 가장 안정적인 원소이기 때문에 핵반응으로 에너지를 꺼낼 수 없습니다. 이 때문에 철로 이루어지는 중심부는 점점 붕괴되어 고온이 되어 갑니다. 이윽고 너무 고온이 되면 철이 부서지고 흩어져 헬륨이 되어 버립니다. 철이 헬륨으로 부서지면 열이 빼앗기므로 중심을 지탱하는 압력이 단번에 떨어집니다.

그 결과 별의 중심부가 단번에 무너지기 시작합니다. 이윽고 중심부의 밀도가 핵밀도에 도달하면 핵력의 효과가 나타나기 시작하고 중심부가 갑자기 딱딱해져 반점을 일으키고 외향으로 전파하는 충격파가 발생합니다. 이 충격파는 그대로 밖에서 낙하해 오는 물질에 의해 밀려나고 붕괴하고 있는 별을 뚫을 수 없는 것으로 생각되고 있습니다. 그러나 핵밀도에 도달한 중심부로부터 대량으로 방출되는 중성미자의 일부가 충격파를 가열함으로써 붕괴하는 별을 뚫을 수 있을 만큼 충분한 에너지를 얻을 수 있어 초신성폭발이 일어날 것으로 생각됩니다.

별의 표면에서 빛을 보는 관측자는 중심이 붕괴된 직후에는 알 수 없습니다. 중심붕괴로 인한 충격파가 별의 표면에 도달하면 처음으로 외부에서 빛을 보는 관측자가 초신성폭발이 일어나고 있음을 알 수 있습니다. 밀도가 높은 별 속을 전해 온 충격파가 갑자기 밀도가 낮은 별의 표면에 나타나기 때문에 충격파가 표면에 도착한 순간에 지금까지 충격파에 모여 있던 빛이 단번에 해방되어 단시간 매우 밝아지는 것으로 생각됩니다.

이와 같은 초신성폭발 후 충격파가 별의 표면에 도착할 때 일시적으로 매우 밝아지는 현상을 '쇼크 브레이크 아웃'이라고 합니다. 쇼크 브레이크 아웃에는 반경과 같은 폭발한 별의 귀중한 정보가 포함되어 있기 때문에 전세계 망원경으로 쇼크 브레이크 아웃을 포착하는 관측이 이루어지고 있습니다. 적색 초거성이 폭발할 때는 쇼크 브레이크 아웃의 지속시간이 몇 시간이라고 이론적으로 생각됩니다. 초신성폭발이 일어난 직후 몇 시간 이내를 상세하게 관측할 필요가 있기 때문에 쇼크 브레이크 아웃을 포착하는 관측은 매우 도전적인 것입니다.

칠레 대학의 Francisco Förster 씨는 칠레에 있는 Blanco 망원경을 이용하여 초신성 탐사를 실시하면 쇼크 브레이크 아웃을 포착할 가능성이 높다는 것을 깨닫고 실제로 관측을 시도했습니다. 그 결과 26개의 적색 초거성 폭발 직후를 포착하는 데 성공했습니다. 폭발 후 몇 시간 이내에 포착된 초신성폭발도 많았지만 이론적으로 예상되는 쇼크 브레이크 아웃에 의한 일시적인 증광을 포착할 수 없었습니다. Förster 씨가 실시한 초신성 탐사에서 쇼크 브레이크 아웃을 포착할 가능성은 높다고 생각되었기 때문에 쇼크 브레이크 아웃을 찾을 수 없었다는 사실은 관측팀을 괴롭혔습니다.

한편 26개 초신성폭발의 대부분은 지금까지 예상되고 있던 폭발 직후의 발광방법과 크게 다른 성질을 가지고 있다는 것을 Förster 씨는 눈치챘습니다. 지금까지의 표준이론에서는 적색 초거성의 초신성폭발이 쇼크 브레이크 아웃에 의한 일시적인 증광 후에 어두워지고 그 후 20일 이상에 걸쳐 다시 증광하여 최대의 밝기에 도달할 것으로 생각되었습니다. 그런데 Förster 씨가 폭발 직후부터 관측하는데 성공한 적색 초거성의 초신성폭발 대부분은 폭발 후 10일 이내에 최대의 밝기에 이르렀습니다.

적색 초거성의 초신성폭발은 왜 이렇게 빨리 증광했을까? 우리는 별이 진화 도중에 방출되는 가스에서 초신성폭발이 발생하면 초신성폭발에 어떤 변화가 나타나는지를 이론적으로 연구했습니다. 그 때 적색 초거성이 폭발 직전에 극단적으로 많은 가스를 방출하는 경우 초신성폭발이 단시간에 증광하는 것을 나타냈습니다. 어떠한 이유로 폭발 직전의 적색 초거성의 표면에서의 활동이 활발해지고 별의 표면으로부터 많은 가스가 방출되면 폭발 직후에 초신성이 주위의 가스에 충돌해 초신성폭발이 빨리 증광하는 것으로 나타났습니다.

연구팀이 이론과 관측을 상세하게 비교한 결과 적색 초거성이 폭발의 수백 년 전부터 매년 태양질량의 천분의 1의 질량을 잃으면 초신성폭발의 10일 이내 증광의 모습을 재현할 수 있는 것을 알게 되었습니다.

Förster 씨가 이끄는 관측팀이 포착한 적색 초거성의 폭발 직후의 증광과 이론적으로 예상되는 밝기변화의 비교. 실선은 폭발 직전의 적색 초거성이 대질량 방출을 실시했다고 가정했을 경우의 밝기변화의 예상. 각각의 선이 하나의 이론예상이며 다양한 조건 하에서 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 파선은 폭발 직전에 대규모 질량방출을 하지 않는다고 가정한 종래의 이론 예상. (c) Förster et al., 2018, Nature Astronomy, 2, 808 개변

이것은 폭발 직전의 적색 초거성이 어떠한 이유로 통상의 10~100배 이상의 가스를 방출하고 있는 것을 나타내고 있습니다. 이것에 의해 폭발하는 적색 초거성의 극히 근방에 태양질량의 약 10분 1 정도의 가스가 존재하기 때문에 초신성폭발의 폭발 직후의 증광이 매우 빨라지고 있었습니다. 게다가 이러한 가스가 폭발하는 별을 둘러싸고 있으면 쇼크 브레이크 아웃의 일시적인 증광이 숨겨져 버리기 때문에 Förster 씨의 관측으로 쇼크 브레이크 아웃이 포착되지 않았던 것도 설명할 수 있습니다.

이번 연구로 폭발 직전의 적색 초거성이 어떤 이유로 표면에서 다량의 가스를 방출하고 있을 가능성이 높다는 것을 알게 되었습니다. 하지만 앞서 언급했듯이 별의 중심의 붕괴로 인한 초신성폭발과 별의 표면에서 일어나는 질량방출이 관계를 갖는 것은 전통적인 별의 이론에서는 생각되지 않았습니다. 이것은 천문학의 기초 중의 기초인 별의 진화에 우리의 이해가 아직 미치지 못한 미지의 현상이 존재하고 있음을 시사하고 있습니다.

더 자세한 폭발 직후 초신성폭발의 관측은 물론 폭발 직전의 별의 모습을 포착할 수 있다면 초신성폭발과 적색 초거성의 질량방출이 어떻게 관계를 맺고 있는지를 알아낼 수 있을 것으로 생각됩니다. 예를 들어 베텔기우스는 언제 폭발해도 이상하지 않다고 생각되는 적색 초거성이지만 실제로는 폭발의 수백 년 전부터 대규모 질량방출이 관측되기 시작할지도 모릅니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超新星爆発が明らかにした爆発直前の活発な星の姿 – 理論と観測の比較からわかったこと
https://academist-cf.com/journal/?p=8996