Ia형 초신성의 발생 프로세스는 2가지?

반성(오른쪽)에서 물질을 빨아들이는 백색왜성(왼쪽)의 상상도. Credit: NASA

우주의 거리계로서 사용되고 있는 Ia형 초신성에 대해서 잘 알려진 기존의 발생 시나리오를 뒷받침하는 특징적인 관측결과가 처음으로 얻어져, 발생 프로세스가 2가지 있다는 견해가 강해지고 있다.

Ia형이라고 불리는 초신성은 절대적인 밝기가 거의 일정하기 때문에 천문학자들은 '표준광원'으로 사용하고 있다. 즉 Ia형 초신성의 겉보기 밝기로부터 우주론적인 거리를 측정할 수 있고 이를 바탕으로 우주의 가속팽창도 발견되었다. 그러나 Ia형 초신성이 어떻게 발생하는지에 대해서는 현재도 논의가 계속되고 있다. 2개의 시나리오가 유력시되고 있는데 그 중 반성으로부터 백색왜성을 향해 물질의 강착으로 생기는 기존의 시나리오를 뒷받침하는 특징적인 관측결과가 이번에 처음으로 얻어졌다. 또 다른 시나리오를 지지하는 관측결과도 많아져 발생 프로세스가 2가지 있다는 견해가 강해지고 있다.

이번 연구를 실시한 캘리포니아대학 산타 바바라교(미국)의 천문학자 Griffin Hosseinzadeh 씨 연구팀의 논문은 2017년 6월 27일에 arXiv 프리프린트 서버에 투고되었고(arXiv: 1706.08990) Astrophysical Journal Letters 2017년 8월 20일호에 게재되었다.

Ia형 초신성은 오랫동안 '표준광원'으로 사용되고 있다. 먼 곳의 Ia형 초신성을 관측함으로써 우주의 팽창속도가 가속되고 있는 것이 1998년에 밝혀졌고 암흑에너지가 존재하는 증거가 되었다. 이 성과는 2011년 노벨 물리학상을 수상으로 이어졌다.

그러나 Ia형 초신성 폭발이 어떻게 일어나는 시나리오는 아직 명확하지 않다. Hosseinzadeh 씨는 “과학자들이 이 우주론의 도구를 완전히 이해하지 못한다는 사실은 부끄러운 것으로, 우리는 그것이 사실이 무엇인지 모른다”고 말했다.

by Brian Ottum and EarthSky / https://earthsky.org/

한때는 Ia형 초신성은 일률적으로 만들어지는 불꽃과 같은 것으로, 모두 같은 원리로 생겨나고 있다고 생각되었다. 그러나 1990년대가 되어 Ia형 초신성의 실제의 밝기에는 변동이 있는 것을 알게 되었다. 하지만 이 변동은 밝기의 감쇠속도를 바탕으로 한 경험칙으로 잘 보정할 수 있어서 우주의 가속팽창의 발견으로 이어졌다.

그래도 '표준광원'이 서로 다소 다르게 보인다는 사실은 천문학자들에게는 우려되는 부분이다. 노트르담대학(미국 인디애나 주)의 천문학자인 Peter Garnavich 씨는 “Ia형 초신성의 밝기의 편차를 보정할 수 있어도 편차의 근본적인 이유는 알려져 있지 않다. 우주의 팽창속도를 1% 정밀도로 측정하려고 할 때 이러한 차이가 있으면 우리는 Ia형 초신성을 잘못 이해하고 있는 것이 아닐까 불안해진다”고 말했다.

천문학자들은 Ia형 초신성 폭발을 일으키는 것은 백색왜성이라고 확신하고 있다. 백색왜성은 비교적 가벼운 별이 진화의 마지막 단계에 도달하는 지구 크기의 작은 별이다. 그러나 무엇이 백색왜성을 폭발에 이르게 하는지는 분명히 알 수 없다. 백색왜성은 안정되어 있어서 스스로 폭발하는 일이 없기 때문이다. 폭발과정을 시작하는 것은 반성이라고 생각된다. 반성은 태양과 비슷한 별(주계열성), 거성 등의 경우 외에 또 하나의 백색왜성일 가능성도 있다.

Ia형 초신성 폭발을 설명하는 유력한 시나리오는 2가지로, 반성의 유형이 다르다. 반성이 주계열성이나 거성이라면 이윽고 백색왜성은 반성으로부터 물질을 서서히 빨아올릴 것이다. 그 결과 백색왜성의 질량은 서서히 증가하고 그 중력에 의한 수축, 온도·밀도의 상승에 의해 어느 한계질량에서 열핵융합 반응의 폭주가 시작된다. 한편 반성도 백색왜성이라면 두 개의 백색왜성의 연성은 중력파를 방출하면서 나선형의 궤도를 그리면서 서로 가까워지고 합체하여 한계질량을 넘어 열핵융합 반응으로 폭발한다. 이 경우 초신성의 밝기는 다소 변동될 수 있다.

연구자들은 이 두 시나리오 중 어느 것이 올바른지 알기 위해 갓 태어난 초신성을 찾고 있다. 그 이유 중 하나는 전자의 시나리오에서 생긴 초신성은 폭발 후 곧 분명한 증거를 보여줄 것이기 때문이다. 폭발로 외측으로 방출되는 물질이 아직 손상되지 않은 반성에 부딪쳐 밝게 빛날 것이다. 한편 백색왜성끼리의 합체에 의해 생긴 초신성에서는 2개의 백색왜성은 완전히 파괴되어 버릴 것이다.

천문학자들이 최근 발견한 증거는 두 번째 시나리오를 지지하는 것이 많았다. Hosseinzadeh 씨 연구팀은 이번에 처음으로 반성으로부터 물질을 빨아들인 백색왜성이 폭발한 결과 그 방출물이 반성에 충돌한 것으로 보이는 명료한 관측결과를 얻었다.

by ESO/Digitized Sky Survey 2 / http://www.eso.org/public/images/eso0927e

이번 발견의 첫 징후가 발견된 것은 2017년 3월 10일이었다. 애리조나대학의 천문학자이자 이번 논문의 공동저자인 David Sand 씨는 이날 한 초신성이 지구에서 1690만 파섹(5500만 광년) 떨어진 나선은하 NGC 5643 주변부에 나타난 것을 깨달았다. 그는 매일 밤 약 500개의 은하를 주사하는 초신성 관측 프로젝트 'DLT40 초신성 서베이'의 데이터를 조사하는 과정에서 이 초신성을 발견했다.

Sand 씨는 그가 찾은 것이 별의 폭발이고 알 수 없는 소행성이 아니라는 것을 확인하기 위해 서둘러 이미지를 한 장 더 찍었습니다. 그는 몇 분 이내에 Las Cumbres 천문대 글로벌 망원경 네트워크에 경보를 내야 할 사태임을 깨달았다. 이 네트워크는 세계 8곳에 있는 18기의 망원경으로 만드는 관측 네트워크로, 천체를 24시간 연속 관측할 수 있다.

이번 초신성은 초신성 폭발의 시작부터 1일 이내, 아마 몇 시간 만에 발견된 것으로 보인다고 한다. Hosseinzadeh 씨와 Sand 씨 등은 처음 5일간 약 6시간마다, 그 후도 폭발 40일 후까지 매일 밤 1회 이 초신성을 관측했고 광도의 변화를 조사했다. 그 결과 폭발로부터 약 5일간에 자외광의 밝기의 일시적인 상승이 일어나고 있는 것을 알 수 있었다. 초신성에서 방출된 물질이 반성(태양의 약 20배 직경의 준거성으로 추정됨)에 부딪쳐 빛을 발했기 때문으로 보인다.

"이것은 표준 Ia형 초신성의 반성에 대한 충돌현상의 지금까지 중 가장 좋은 증거"라고 Garnavich 씨는 보았다. Sand 씨는 애리조나대학의 취재에서 "아마 Ia형 초신성의 발생 프로세스에는 2종류가 있을 것으로, 향후 연구의 목표는 어느 것이 더 흔한가를 찾아내는 것"이라고 말했다.

Hosseinzadeh 씨는 “우리는 사용법을 알고 있지만 작동하는 메커니즘을 모르는 도구를 가지고 있는 것 같다. 사용하는 도구의 물리적 메커니즘을 이해하면 훨씬 좋을 것"이라고 말했다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- Supernova’s messy birth casts doubt on reliability of astronomical yardstick
Nature (2017-08-24) | DOI: 10.1038/nature.2017.22066
Shannon Hall