“두 백색왜성의 충돌” -초신성의 기원을 엿보다

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이정환의 ‘우주★천문 뉴스 파일’

관측과 분석 기술이 발전하면서 우리의 근원적 호기심을 자극하는 우주와 천문학의 새로운 연구 소식들이 잇따릅니다. 천문학을 공부하는 대학원생 이정환 님이 우주·천문 분야의 흥미로운 최근 소식을 간추려 독자들께 전해줍니다.


  우주 거리 측량에 ‘표준 등대’ 구실하는  ‘Ⅰa형 초신성’의 탄생기원 연구


00astro0420_44.jpg » 쌍성계를 이루는 두 백색왜성이 서로 충돌하여 Ⅰa형 초신성이 되는 경우(왼쪽)와 백색왜성-적색거성 쌍성계에서 적색거성의 물질이 백색왜성으로 대거 유입되면서 Ⅰa형 초신성이 되는 경우(오른쪽). 왼쪽 그림의 경우를 ‘Double Degenerate’라고 하고 오른쪽 그림의 경우를 ‘Single Degenerate’라고 한다. 출처/ Wikipedia Commons & Discover Magazine

 
‘초신성(supernova)’은 별이 진화의 마지막 단계에서 최후를 맞을 때 엄청난 에너지를 방출하면서 밝게 빛나는 현상을 뜻합니다. 초신성 폭발은 우주에서 가장 밝은 천문 현상 중 하나로 꼽히는데, 어떤 초신성은 방출하는 에너지가 너무 커서 일시적으로 하나의 은하보다 더 밝게 빛나는 경우도 있습니다. 그래서 초신성이 이렇게 막대한 에너지를 방출할 수 있는 이유와 그 기작을 밝히는 일은 천문학계에서 항상 중요한 화젯거리가 되어왔습니다.


00astro0420_1.jpg » 여러 초신성 유형들의 분광 스펙트럼. Ⅱ형 초신성인 SN 1992H의 스펙트럼에서는 다른 Ⅰ형 초신성에서는 보이지 않는 수소선(Hα선, Hβ선 등)들이 보인다는 사실을 알 수 있다. 수소선의 유무 이외에도 스펙트럼의 여러 세부적인 특성들을 이용하여 초신성을 분류할 수 있다. 출처/ Carroll &Ostlie, 미국국립광학천문대(National Optical Astronomy Observatory) 수십 년 간 초신성을 연구하던 천문학자들은 초신성을 관측된 특성에 따라 몇 가지 유형으로 분류하였습니다.


초신성의 분류

먼저 분광 스펙트럼에서 수소(H) 선이 없는 ‘Ⅰ형 초신성’과 수소 선을 가지고 있는 ‘Ⅱ형 초신성’으로 종류를 나누었습니다. 그러고는 시간에 따른 초신성의 광도 곡선이나 분광 스펙트럼의 세부적인 특성에 따라 각각의 초신성 유형을 다시 Ⅰa형, Ⅰb형, Ⅰc형, 그리고 ⅡP형, ⅡL형 등으로 세분화하였습니다.


최근에는 이러한 여러 초신성 유형들 중 ‘Ⅰa형 초신성’의 생성 기원을 밝혀낸 연구가 있어 화제가 되고 있습니다. 하버드-스미소니언 천체물리센터(Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics) 연구팀은 우리은하에 있는 초신성 잔해 G1.9+0.3의 관측 데이터를 이용하여 Ⅰa형 초신성의 폭발 기작을 밝혀냈다고 주장하였습니다. Ⅰa형 초신성 잔해 G1.9+0.3은 우리은하에서 가장 젊은 초신성 잔해 중 하나이며 약 110년 전에 초신성 폭발을 일으킨 것으로 알려져 있습니다.



00astro0420_22.jpg » 하버드-스미소니언 천체물리센터의 차크라보티(Chakraborti) 연구팀이 연구한 Ⅰa형 초신성 잔해 G1.9+0.3의 사진. 출처/ NASA 찬드라 X선 관측소 & 하버드-스미소니언 천체물리센터



‘Ⅰa형 초신성’이 주목 받는 이유

Ⅰa형 초신성은 천문학자들에게 가장 주목을 받는 초신성입니다. 그 이유는 Ⅰa형 초신성이 먼거리에 있는 천체들까지의 거리를 측정하는 데 매우 유용한 수단이 되기 때문입니다. Ⅰa형 초신성은 시간에 따른 밝기 변화와 최대 밝기 사이의 관계가 매우 잘 알려져 있어, 거리 지수(겉보기 등급-절대 등급)를 계산하는 데 표준적인 잣대로서 사용하기에 유리합니다. 그래서 천문학자들은 이 Ⅰa형 초신성을 이용해 먼 은하들까지의 거리를 구하였고, 더 나아가 우주의 팽창 속도 변화를 계산하여 현재 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실까지도 알아낼 수 있었습니다.
 




00astro0420_3.jpg » a) 관측된 Ⅰa형 초신성들의 시간에 따른 광도 곡선. 이 곡선을 보면, 일정한 시간이 흐른 뒤에 밝기 변화가 큰 폭으로 떨어질수록 최대 밝기가 더 어두운 초신성이라는 사실을 알 수 있다. 이러한 밝기 변화-최대 밝기 관계를 이용하여 보정한 Ⅰa형 초신성의 표준 광도 곡선이 (b)이다. (b)에서는 서로 다른 Ⅰa형 초신성들의 데이터를 모아놓았음에도 불구하고 하나의 광도 곡선에 놀라울 만큼 잘 맞는다. 이는 Ⅰa형 초신성을 관측하면 그 절대 등급을 쉽게 알 수 있다는 의미이며, 관측하여 얻은 겉보기 등급까지 이용하면 거리 지수(겉보기 등급-절대 등급)를 구할 수 있다는 뜻이다. 따라서 Ⅰa형 초신성은 우주의 거리를 재는 척도로 활용될 수 있는 천체이다. 출처/ S. Perlmutter et al., B.A.A.S., vol 29, p. 1351, 1997 하지만 Ⅰa형 초신성의 정확한 폭발 기작에 대해서는 그동안 많은 논란이 있었습니다. Ⅰa형 초신성은 백색왜성(white dwarf)으로 대량의 물질들이 유입되면 온도가 높아지면서 격렬한 핵융합 반응이 일어나 결국 초신성 폭발을 일으킨다고 알려져 있었습니다. 그러나 백색왜성이 쌍성계를 이루는 다른 백색왜성과 서로 충돌·병합하면서 폭발을 일으키는지(‘Double Degenerate’ 시나리오), 아니면 백색왜성이 쌍성계를 이루는 다른 적색거성(red giant)의 물질을 흡수하여 초신성 폭발을 일으키는지(‘Single Degenerate’ 시나리오)에 관해서는 명확한 결론이 나지 않았습니다.


Ⅰa형 초신성의 폭발 기작을 알지 못한다는 것은, 거리 측정에 중요하게 사용되는 Ⅰa형 초신성의 광도 곡선도 역시 우리가 제대로 이해하고 있지 않다는 것을 의미합니다. 따라서 천문학자들은 Ⅰa형 초신성의 정확한 폭발 기작에 대한 두 가지 가설을 끊임없이 의심하며 연구하였습니다.


하버드-스미소니언 천체물리센터의 차크라보티 연구팀은 찬드라 우주 관측위성의 엑스(X)선 망원경과 지상 전파망원경들의 배열인 브이엘에이(VLA: Very Large Array)를 통해 얻은 관측 데이터를 이용해 초신성 잔해 G1.9+0.3의 밝기 변화를 X선 영역과 전파 영역에서 살폈습니다. 초신성 폭발 이후 주변 성간물질과의 상호 작용으로 방출되는 X선과 전파는 Ⅰa형 초신성의 기원을 밝히는 데 중요한 단서가 되었습니다.



이론으로 얻은 밝기와 관측된 밝기 비교해 가설 뒷받침

차크라보티 연구팀은 두 백색왜성의 충돌·병합 가설(‘Double Degenerate’)과 백색왜성의 적색거성 물질 흡수 가설(‘Single Degenerate’)인 경우에 나타날 밝기를 각각 이론적으로 계산한 다음에 이를 실제 관측된 X선과 전파 영역의 밝기 변화와 비교했는데, 그 관측 결과는 ‘두 백색왜성 병합’ 가설과 잘 부합하는 것이었습니다. 즉, Ⅰa형 초신성이 쌍성계를 이루는 두 백색왜성의 충돌 및 병합에서 비롯한 폭발이라는 가설을 뒷받침해준 것입니다.


물론 이번 논문에서 차크라보티 연구팀이 연구한 Ⅰa형 초신성의 사례는 G1.9+0.3 하나뿐이므로 모든 Ⅰa형 초신성이 두 백색왜성의 충돌로 인해 생겨났다고 일반화하기는 아직 섣부릅니다. 따라서 차크라보티 연구팀은 앞으로 성능이 개선된 VLA 전파 관측 어레이로 안드로메다 은하를 비롯해 몇몇 가까운 은하들의Ⅰa형 초신성 잔해들을 관측할 예정입니다.


‘별의 장렬한 최후’라고 할 수 있는 초신성이 어서 비밀의 베일을 벗게 되는 날이 오길 기대해 봅니다.


[참고]


[1] Trigger for Milky Way‘s youngest supernova identified. Astronomy Magazine, 30 Mar 2016

 http://astronomy.com/news/2016/03/trigger-for-milky-ways-youngest-supernova-identified

[2] http://www-supernova.lbl.gov/public/papers/aasposter198dir/aaasposter.html

[3] S. Chakraborti et al., Young Remnants of Type Ⅰa Supernovae and Their Progenitors: A Study of SNR G1.9+0.3, ApJ, 819:37, 2016

[4] S. Perlmutter et al., Cosmology from Type Ⅰa Supernovae, B.A.A.S., vol 29, p. 1351, 1997


이정환 서울대 물리천문학부 석박사통합과정   

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이정환 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정(천문학) 대학원생
이제 막 천문학의 바다를 항해하기 시작한 대학원생입니다. 아직 내공이 부족하지만 앞으로 연구도 잘하고 싶고 글도 잘 써보고 싶은 욕심 많은 과학도입니다.
이메일 : joungh93@gmail.com      
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