백색왜성이 80억 년 이상 나이를 먹지 않는 이유

우리은하에 있는 항성의 약 97%는 결국 '백색왜성'이라는 천체를 남깁니다. 백색왜성은 핵융합 반응이 정지한 “죽은 별”이며, 가지고 있던 열을 서서히 방출해 식혀갑니다. 그러나 최근 몇 년 동안 이 설명에 맞지 않는 수십억 년 동안 냉각이 중단된 것으로 보이는 백색왜성이 차례로 발견되었습니다. 백색왜성의 열은 연령을 추정하는 지표이기 때문에 나이가 들지 않는 과정을 아는 것은 중요합니다.

워릭대학의 Antoine Bédard 씨, 빅토리아대학의 Simon Blouin 씨, 프린스턴 고등연구소의 程思浩 씨의 연구팀은 백색왜성의 내부를 모델화한 연구를 실시했습니다. 그 결과 응고된 작은 덩어리가 부상하여 생기는 중력에너지에 의해 백색왜성의 표면온도가 80억 년 이상 일정하게 유지될 정도의 열이 발생하는 것을 발견했습니다. 이 결과는 백색왜성의 연령을 지표로 한 다양한 연구에 영향을 미칠 것으로 보입니다.

태양과 같은 항성은 중심핵에서 일어나는 핵융합 반응에 의해 에너지를 방출하여 중력에 의해 붕괴되는 것을 막고 있습니다. 그러나 근원이 되는 원소는 언젠가 고갈해 버리기 때문에 곧 핵융합 반응이 정지하고 중력에 의해 파괴되어 버립니다. 최종 운명은 항성의 질량에 따라 다르지만 태양의 8배 미만의 질량을 가진 항성은 1cm의 주사위 크기가 1톤 이상이 되는 고밀도 중심핵을 남긴다고 합니다. 이것이 백색왜성입니다.

백색왜성은 그 이름대로 하얗게 빛나지만 이것은 항성의 중심핵에 있었던 여열입니다. 백색왜성은 핵융합이 일어나지 않는 죽은 별이기 때문에 여열이 서서히 우주공간으로 날라가고 식어갑니다. 백색왜성의 표면온도와 밝기는 상대관계가 되기 때문에 백색왜성의 밝기는 형성된 이후의 연수, 즉 백색왜성의 연령을 반영할 것으로 예측되어 왔습니다. 그러나 백색왜성에 대한 연구가 진행되면서 단순하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 백색왜성의 관측 데이터가 늘어남에 따라 백색왜성의 밝기로부터 추정되는 연령과 그 외의 방법으로 추정되는 연령이 대폭 어긋나는 사례가 차례차례로 발견되었습니다. 이러한 백색왜성은 질량이 큰 그룹의 약 6%를 차지합니다.

또한 백색왜성의 내부는 형성 당초는 액체이며 그 후 고체로 식어 굳어질 것으로 추정되고 있습니다. 여기서 말하는 액체나 고체는 비유적 표현으로, 우리에게 친밀한 물질의 액체나 고체와 마찬가지로 상전이에 의해 열(잠열)이 생길 것으로 추정되고 있습니다. 이처럼 백색왜성은 기존에 생각했던 만큼은 죽은 별이 아니라는 것을 알고 있지만, 그래도 지금까지 규명된 가열공정에서는 기껏 냉각하는 시간을 10억 년 정도 늦게 할 수 있습니다. 수십억 년의 어긋남을 설명하기 위해서는 다른 알려지지 않은 프로세스가 필요합니다.

Bédard, Blouin, 그리고 코토시 씨의 연구팀은 백색왜성의 내부에 대한 모델을 구축하고 이 수수께끼의 규명에 임했습니다. 이 연구는 수십억 년 동안 안정적으로 지속되는 냉각정지 프로세스를 찾는 것입니다. 코토시 씨는 2019년에 다른 프로세스에 의한 수십억 년의 냉각정지 프로세스를 제안한 적도 있지만 비현실적인 조건으로 간주되었습니다. 연구팀은 보다 현실적인 가설로 백색왜성 내부의 고화과정을 보다 상세하게 검토했습니다. 백색왜성은 내부에서 고체화하는 것으로 생각되지만, 지금까지는 큰 덩어리가 중심부에 가라앉은 채로 존재하는 것으로 생각되어 왔습니다. 그러나 연구팀이 보다 상세하게 프로세스를 검토하자 생각했던 것보다 훨씬 작은 복수의 덩어리가 발생할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이 고체는 1알 1알이 작고 액체에 대하여 밀도가 낮기 때문에 얼음과 같이 떠오른다고 생각됩니다. 그러면 상대적으로 밀도가 높은 액체 부분이 가라앉아 중력에너지가 열로 변환됩니다. 이번 시뮬레이션은 이 과정이 80억 년 이상이나 표면온도를 유지할 정도의 열을 발생시킨다는 것을 보여주었습니다.

2019년의 연구에서는 네온22가 침강하는 것에 의한 중력에너지가 열원이라고 추정되었는데 이 가설을 만족시키기 위해서는 무거운 백색왜성에 포함되어 있는 것으로 추정되는 양의 5배나 많은 네온22가 필요합니다.

냉각정지 프로세스는 백색왜성의 작은 부분에서만 일어납니다. 이번에 제시된 고체의 부상에 의한 가열 프로세스가 왜 일부 백색왜성에서만 일어나는지는 불분명하지만 연구팀은 백색왜성의 형성과정에 해답이 있다고 생각하고 있습니다. 무거운 백색왜성은 항성의 중심핵으로부터 직접 생성되는 것이 아니라 항성 또는 백색왜성이 충돌하여 생성되는 것으로 생각됩니다. 충돌로 인해 백색왜성의 내부가 격렬하게 흐트러지기 때문에 작은 덩어리를 발생시키는 것으로 연결될지도 모릅니다. 이 가설은 수십억 년이나 냉각이 정지하고 있는 것으로 보이는 백색왜성이 무거운 백색왜성 중 약 6%라는 소수라는 것과 일치하고 있습니다.

백색왜성의 연령의 추정은 근처에 있는 항성의 연령 등 다양한 지표에 사용되고 있습니다. 그러나 냉각정지 프로세스는 우주의 연령인 138억 년에 비해 충분히 긴 80억 년 이상에 달하기 때문에 연령이 추정된 백색왜성 중에는 실제보다 더 오래된 것이 섞여 있을 가능성이 있습니다. 이번 연구는 백색왜성의 나이를 기반으로 천문학 연구에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- Nicole Crozier & Jennifer Kwan. “Discovery tests theory on cooling of white dwarf stars”. (University of Victoria)
- Antoine Bédard, Simon Blouin & Sihao Cheng (程思浩). “Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars”. (Nature)