동반성을 잡아먹는 백색왜성의 연구결과 : 헬륨을 먹으며 폭발하는 la형 초신성의 수수께끼

 

지난해, 천문학자들은 방사선 파장에서 초신성을 처음으로 탐지하여, 폭발하는 백색 왜성이 공생하는 동반성의 물질인 헬륨 등을 잡아먹는 것을 발견했습니다. 

SN 2020eyj로 명명된 이 Type Ia 초신성은 Palomar 산의 Zwicky Transient Facility 카메라에 의해 발견되었습니다. 이 발견 이후에는 La Palma의 Nordic Optical 망원경과 하와이의 대규모 Keck 망원경으로 후속 조사가 진행되었습니다. 이러한 후속 조사에서 초신성 주변의 물질이 비정상적으로 헬륨 풍부한 물질로 지배되었음을 확인하여, 다른 Type Ia 초신성과는 다른 특성을 가진 것으로 판단되었습니다.

이 대상에서 발견된 폭발 시스템의 빛에서 강한 헬륨의 특징을 발견한 팀은, 백색 왜성에 의해 피해 받는 항성으로부터 이러한 빛을 발산한다는 이론을 세웠습니다. 이 연구팀은 또한 초신성 폭발 전에 잡아먹히는 별이 대부분의 물질을 뺏겼음을 발견했습니다.

이러한 방사선 파장은 폭발하는 별이 주변 물질인 순환 성분을 통과할 때 발생되며, 이는 전자와 같은 입자들이 근광속으로 가속되고 방사선 등을 방출합니다.

 

동반성을 흡수하는 백색 왜성 상상도. ESA/ATG medialab/C. Carreau

 

표준 촛불(혹은 표준촉광)(standard candles)로 알려져 있는 Type Ia 초신성은 이벤트 간에 일정한 광도를 내뿜어서 천문학자들이 거리를 측정하는 용도로 사용하고, 또한 우주의 팽창 속도를 측정하는 데에도 활용될 수 있습니다.

그럼에도 불구하고, 연구자들은 아직 Type Ia 초신성이 어떻게 발생하는지에 대해 여전히 상대적으로 알지 못하는 상태입니다. 현재의 주요 이론은 밀도 높은 백색 왜성이 동반성으로부터 너무 많은 물질을 흡수할 때 발생하는 것으로 여겨지지만, 이번 연구는 이러한 과정이 다양한 방식으로 발생할 수 있다는 것을 보여줍니다.

"이것은 명백히 매우 이례적인 Type Ia 초신성이지만, 여전히 우주의 팽창을 측정하는 데 사용하는 초신성과 관련이 있습니다,"라고 스톡홀름 대학교 물리학 연구원인 Joel Johansson은 공동 저자로서 말했습니다. "일반적인 Type Ia 초신성은 항상 동일한 밝기로 폭발하는 것으로 보이지만, 이 초신성은 백색 왜성 폭발에 이르는 다양한 경로가 있음을 보여줍니다."

 

백색 왜성은 태양과 유사한 질량의 별들이 핵융합을 위한 연료를 고갈하여 생명의 끝에 이르게 될 때 형성됩니다.

태양과 같은 별의 핵에서 수소를 헬륨으로 전환하는 과정이 고갈되면, 별을 내부의 중력 압력으로부터 지지하는 외부의 복사압력이 사라지게 됩니다. 이로 인해 별의 중심은 수축하고, 별의 외부 층은 이른바 적색 거성 단계라고 불리는 동안 최대 100에서 1,000배까지 별의 원래 직경만큼 팽창합니다. 태양은 약 50억 년 후에 이 적색 거성 단계에 들어가게 되며, 그 크기는 확장하여 지구를 포함한 내부 행성들을 삼켜버릴 것입니다. 이후에는 별이 식고 남은 중심 핵인 죽은 백색 왜성이 주변에서 떨어져 나온 별의 잔해에 둘러싸여 있게 됩니다.

 

백색왜성의 상상도. NASA/Casey Reed

 

이것이 태양과 같은 별들의 최종 운명이지만, 쌍성계에서의 백색 왜성은 동반성으로부터의 물질을 흡수할 경우 다시 살아날 수 있습니다. 이러한 별들은 표면에서 추가적인 핵융합을 촉발시킬 뿐만 아니라, 이 좀비 별들이 너무 많은 물질을 축적하면 그것이 알려진 찬드라세카르 한계(Chandrasekhar limit)를 초과하여 폭발적인 결과를 초래합니다.

찬드라세카르 한계는 태양의 1.4배 질량을 가리키며, 초신성으로 폭발할 수 있는 별과 그렇지 않은 별을 구분하는 선입니다. 따라서 과도한 물질의 유입은 백색 왜성이 충분한 질량을 모아 초신성으로 폭발할 수 있도록 만들 수 있습니다. 그러나 이러한 과도한 유입이 어떻게 발생하는지는 아직 잘 이해되지 않고 있습니다. 이와 같은 방사선 파장의 관측 결과는 이 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구를 수행한 팀은 SN 2020eyj와 유사한 Type Ia 초신성들의 라디오 파장에 대한 포괄적인 추적 조사를 통해 이러한 초신성이 발생하는 별 시스템의 특성을 더욱 정의할 수 있다고 밝혔습니다.

이번 연구에서 발견된 Type Ia 초신성인 SN 2020eyj는 매우 이례적인 특성을 갖고 있음을 보여줍니다. 백색 왜성이 헬륨 풍부한 동료 별로부터 영양을 골고루 착즙시키고, 이러한 과정에서 폭발하는 것으로 추정됩니다. 이러한 발견은 Type Ia 초신성이 폭발하는 경로가 다양할 수 있음을 보여주고, 이러한 초신성들이 우주의 팽창을 측정하는 데에 사용되는 표준 촛불로서의 의미를 갖는 것을 알려주고 있습니다. Type Ia 초신성은 우주의 거리를 측정하는 데 중요한 도구로 사용됩니다. 그러나 이번 연구는 이러한 초신성의 형성 과정과 특성에 대한 새로운 이해를 제공합니다.

평소에는 초신성이 주변의 물질에 의해 방출되는 물질에 의해 방사선 파장을 내지 않습니다. 그러나 SN 2020eyj와 같은 초신성에서는 동료 별로부터 먹이를 빼앗아 와서 초신성 주변의 물질이 헬륨으로 풍부하게 형성됩니다. 이는 초신성 폭발 전에 동료 별로부터 대부분의 물질이 이미 제거되었음을 의미합니다. 이런 특이한 현상은 초신성이 평소와 다른 경로로 발생한다는 것을 시사합니다.

이러한 연구 결과는 Type Ia 초신성이 발생하는 별 시스템의 특성을 더욱 정의할 수 있게 해 줍니다. 향후 SN 2020eyj와 유사한 초신성들의 라디오 파장을 포괄적으로 조사함으로써 이러한 별 시스템에 대한 정보를 더욱 확장시킬 수 있을 것입니다.

이번 연구는 우주의 비밀 중 하나인 Type Ia 초신성의 형성과 발생 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 천문학의 지식을 더욱 풍부하게 만들었습니다.