1181년 6개월 동안 죽어가는 별이 밤하늘에 흔적을 남겼습니다. 이 놀라운 물체는 카시오페이아자리 근처에서 토성만큼 밝게 나타났고, 중국과 일본의 역사 연대기에는 이를 “게스트 스타”로 기록했습니다.
중국 천문학자들은 이 용어를 하늘의 일시적인 물체, 종종 혜성이나 이 경우처럼 수명이 다한 별의 대격변적 폭발을 의미하는 초신성을 나타내는 데 사용했습니다.
희귀한 초신성 좀비별 SN 1181
좀비별 SN 1181로 알려진 이 천체는 망원경이 발명되기 전에 기록된 소수의 초신성 중 하나이며, 수세기 동안 천문학자들을 당혹스럽게 했습니다.
어떤 별은 수명을 다한 후 초신성 폭발을 일으키고 그 물질이 우주로 퍼지지만, 일부 별들은 폭발 후에도 다시 불규칙한 밝기 변화를 보일 수 있습니다. 예를 들어, 백색왜성이 초신성을 일으킨 뒤 남은 잔해가 다시 활동을 시작하거나, 중성자 별이나 블랙홀 주변에서 다시 활동을 하게 되는 경우가 있을 수 있습니다. 이런 현상은 마치 ‘죽은’ 별이 ‘다시 살아난’ 것처럼 보이기 때문에 좀비 별로 표현되기도 합니다.
좀비별은 또한 과학 소설 및 대중 문화에서 외계 생명체의 존재와 관련된 상상력에 의해 묘사되기도 합니다. 특히, 좀비라는 개념이 일반적으로 ‘죽었다가 다시 살아난 존재’를 의미하는데, 이러한 아이디어가 우주나 외계의 환경에서 새로운 형태로 변형되어 나타나기도 합니다. 과학 소설에서 좀비 별은 죽은 별이 무언가의 영향으로 다시 활동을 시작하거나, 외계 생명체와의 상호작용으로 ‘불사의 상태’처럼 다시 살아나는 별을 의미할 수 있습니다. 이는 자연의 법칙을 벗어난, 전혀 예상치 못한 천체의 특성을 상징적으로 표현하는 방식으로 사용됩니다.
이제 새로운 연구에서는 초신성의 초기 폭발 직후부터 오늘날까지 진화하는 컴퓨터화된 모델을 만들어 처음으로 SN 1181을 자세히 설명했습니다. 연구팀은 이 모델을 성운에 대한 보관된 망원경 관측 결과와 비교했습니다. 성운은 오늘날에도 볼 수 있는 거대한 가스와 먼지 구름으로, 이 기념비적인 사건의 잔재입니다.
블랙홀 주변에서는 강력한 중력이 발생하며, 시간이 지남에 따라 중력파나 빛의 왜곡을 일으킵니다. 이러한 현상은 마치 별이 ‘죽은 뒤’에도 계속해서 존재감을 드러내는 것처럼 보이기도 하며, 이 또한 대중문화에서는 좀비 별로 묘사될 수 있습니다.
연구자들은 이 분석에서 SN 1181이 Type Iax라는 희귀한 초신성 종류에 속한다고 강력히 시사했습니다. 이 종류의 열핵 폭발은 하나가 아니라 두 개의 백색 왜성이 격렬하게 충돌했지만 완전히 폭발하지 못해 “좀비 별”이 남게 된 결과일 수 있습니다. “Iax형 초신성 후보는 20~30개가 있습니다.” 7월 5일 The Astrophysical Journal에 게재된 연구의 주저자인 타카토시 고가 말했습니다. “하지만 우리 은하에서 알려진 것은 이것뿐입니다.” 고는 도쿄 대학에서 천문학 박사 과정을 밟고 있습니다.
게다가 이 연구에서는 설명할 수 없는 일이지만, 과거 연구에서 감지된 고속 항성풍이 불과 20년 전에 좀비 별 표면에서 불기 시작하여 SN 1181의 신비한 아우라에 더해졌다는 사실도 발견했습니다. 전문가들은 이 초신성 사건의 메커니즘을 밝혀내면 천문학자들이 별의 삶과 죽음, 그리고 별이 행성 형성에 어떻게 기여하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.
천문학자들은 SN 1181의 첫 번째 큰 수수께끼를 풀기까지 840년이 걸렸습니다. 은하수에서 그 위치를 정확히 알아낸 것입니다. 죽어가는 별은 2021년 영국 맨체스터 대학교의 천체물리학 교수인 앨버트 지즐스트라가 카시오페이아자리의 성운으로 거슬러 올라갈 때까지 확인된 잔해가 없는 마지막 망원경 이전의 초신성이었습니다.
아마추어 천문학자 다나 패칙은 2013년 NASA의 광시야 적외선 탐사선(WISE)의 보관소를 검색하던 중 이 성운을 발견했습니다. 하지만 새로운 연구에 참여하지 않은 지즐스트라는 SN 1181과의 연관성을 처음으로 알아냈습니다.
지즐스트라는 “코로나가 한창일 때, 저는 조용한 오후를 보내고 집에 앉아 있었습니다.”라고 말했습니다. “고대 중국 카탈로그의 기록을 사용하여 초신성과 성운을 매치했습니다. 저는 그것이 지금은 일반적으로 받아들여졌다고 생각합니다. 많은 사람들이 그것을 살펴보고 그것이 맞는 것 같다는 데 동의했습니다. 이것은 그 초신성의 잔해입니다.”
이 성운은 지구에서 약 7,000광년 떨어져 있으며, 그 중심에는 백색 왜성이라고 불리는 지구 크기의 빠르게 회전하는 물체가 있습니다. 백색 왜성은 핵연료를 고갈시킨 밀도가 높고 죽은 별입니다. 이 특징은 초신성 잔해에 대해 특이한데, 폭발로 백색 왜성이 파괴되었어야 하기 때문입니다.
Zijlstra와 그의 공저자들은 2021년 9월에 이 발견에 대한 연구를 썼습니다. 이 보고서는 SN 1181이 이 “좀비” 백색 왜성의 존재로 인해 이해하기 힘든 Iax형 초신성 범주에 속할 수 있다고 제안했습니다.
“좀비별”은 천문학적으로는 죽은 별이 다시 활동을 시작하는 것처럼 보이는 특이한 현상을 설명하는 데 사용되는 비유적인 용어입니다. 과학 소설에서는 외계 생명체와의 상호작용이나 예기치 않은 천체 현상을 설명하는 데 활용되기도 합니다. 실제 천문학에서는 이러한 현상들이 별의 생애와 진화 과정에서 매우 중요한 연구 주제로 다뤄지고 있으며, 우주의 다양한 미스터리를 풀어나가는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
좀비별의 흥미로운 측면
더 흔한 Ia형 초신성에서 태양과 비슷한 별이 연료를 다 써버렸을 때 형성되는 백색 왜성은 근처의 다른 별에서 물질을 축적하기 시작합니다. 많은 별은 태양과 달리 쌍으로 존재하거나 이중 시스템을 이룹니다. 백색 왜성은 자체 중력으로 붕괴될 때까지 물질을 축적하여 거대한 폭발로 핵융합을 재점화하여 우주에서 가장 밝은 물체 중 하나를 만듭니다.
더 드문 Iax형은 이 폭발이 어떤 이유에서인지 중단된 시나리오입니다. Zijlstra는 “한 가지 가능성은 Iax형이 폭발이 아니라 두 백색 왜성의 합병일 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “두 개가 합쳐져 최고 속도로 서로를 때리고 많은 에너지를 생성할 수 있습니다. 그 에너지가 초신성의 갑작스러운 밝기를 유발합니다.”
이 거대한 충돌은 SN 1181 좀비별의 또 다른 흥미로운 측면을 설명할 수 있습니다. Zijlstra는 이 별에는 수소나 헬륨이 포함되어 있지 않으며, 이는 우주에서 매우 이례적이라고 말했습니다.
“우주의 약 90%는 수소로 구성되어 있고 나머지는 거의 전적으로 헬륨입니다. 다른 모든 것은 매우 드뭅니다.”라고 그는 말했습니다. “수소나 헬륨이 아닌 원자를 찾으려면 10,000개의 원자를 찾아야 합니다. 하지만 우리 별(태양계 중심의 태양)에는 (주로) 그런 원자만 있습니다. 그러니 (좀비 별)에 극단적인 일이 일어난 것은 분명합니다.” SN 1181을 찾을 수 있는 곳과 그것이 Type Iax 잔해일 수 있다는 제안에 대한 지식을 무장한 Ko와 그의 동료들은 그 잔해의 비밀을 밝히기 위해 일했습니다.
“잔해의 시간적 진화를 정확하게 추적함으로써 우리는 처음으로 SN 1181 폭발의 자세한 속성을 얻을 수 있었습니다. 우리는 이러한 자세한 속성이 Type Iax 초신성과 일치한다는 것을 확인했습니다.” Ko는 말하며, 이 연구의 컴퓨터 모델은 유럽 우주국의 XMM-뉴턴 우주 망원경과 NASA의 찬드라 X선 천문대를 포함한 망원경에서 잔해에 대한 과거 관측과 일치한다고 덧붙였습니다.
좀비별에 관한 KO의 분석
KO의 분석에 따르면 SN 1181의 잔해는 두 개의 뚜렷한 충격 영역으로 구성되어 있습니다. 바깥쪽은 초신성 폭발로 물질이 분출되어 성간 공간에 부딪혔을 때 형성되었습니다. 더 최근의 안쪽은 설명하기가 더 어렵습니다.
이 연구는 이 안쪽 충격 영역이 별이 폭발 후 수 세기가 지나 다시 타기 시작했음을 나타내는 신호일 수 있으며, 이는 놀라운 발견으로 이어진다고 코는 덧붙였습니다. 고속 항성풍은 불과 20~30년 전에 별 표면에서 불기 시작한 것으로 보입니다.
일반적으로 천문학자들이 항성풍이라고 부르는 이 빠른 입자 흐름은 초신성 폭발 직후 별의 빠른 회전의 부산물로 백색 왜성에서 불어나야 합니다.
코는 “별이 재점화되고 항성풍이 최근에 시작된 이유를 완전히 이해하지 못합니다.”라고 말했습니다. “SN 1181이 불완전한 폭발인 Iax형 초신성이었기 때문에 별이 재점화되었을 것이라고 이론화합니다. 그 결과, 폭발로 인해 분출된 물질은 완전히 빠져나가지 못하고 중앙 백색 왜성의 중력 영향권에 머물렀습니다. 이 물질은 결국 백색 왜성의 중력으로 인해 백색 왜성에 모여서 다시 불타올랐을 수 있습니다.”
그러나 Zijlstra는 이 이론이 지난 세기 동안 별의 밝기가 어두워졌다는 관찰 결과와 대조적이라고 지적했습니다.
그는 “그것이 바람이 켜지는 것과 어떻게 관련이 있는지는 명확하지 않습니다.”라고 말했습니다. “별이 희미해지기보다는 밝아졌을 것으로 예상했습니다.”
Ko와 그의 동료들은 이 문제를 알고 있습니다. 그들은 바람과 어두워짐 사이에 어떤 관계가 있다고 믿고 이를 조사하고 있다고 말했습니다. 연구원들은 아직 사용하지 않은 두 가지 기구, 즉 뉴멕시코의 초대형 전파 망원경과 하와이의 스바루 망원경을 사용하여 SN 1181에 대한 추가 관측을 준비하고 있습니다.
Ko는 이러한 연구가 과학자들이 모든 초신성에 대한 지식을 얻는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다.
그는 “Ia형 초신성은 우주의 가속 팽창을 발견하는 데 결정적인 역할을 했습니다.”라고 말했습니다. “하지만 그 중요성에도 불구하고 폭발 메커니즘은 알려지지 않아 현대 천문학에서 가장 중요한 과제 중 하나입니다.”
그는 SN 1181과 그 불완전한 폭발을 연구함으로써 과학자들은 Ia형 초신성의 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있다고 덧붙였습니다.