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TV ‘코스모스’ 프로그램을 통해 과학 대중화를 이끈 천문학자 칼 세이건(Carl Edward Sagan, 1934~1996년)은 우리 몸에 별의 잔해가 들어 있다고 했다. 별은 엄청난 온도와 압력으로 수소와 헬륨 같은 가벼운 원자를 융합해 에너지를 낸다. 인체에 많은 산소와 탄소는 핵융합에서 생성됐다가 별이 죽어 폭발하며 초 실효금리 신성(超新星)이 될 때 우주 공간으로 방출됐다. 아득히 먼 우주의 파편이 지금 우리 몸으로 들어온 것이다.
미국 과학자들이 사상 최초로 별이 죽기 직전 바깥 껍질이 양파처럼 벗겨지며 맨 안쪽에 있는 무거운 원자들이 섞여 있는 모습을 관측했다. 처음으로 별의 진화이론을 눈으로 확인한 것이다. 별은 운명을 다하기 전 내심(內心)을 드러내며 동 가족명의핸드폰 시에 같이 있을 수 없다고 생각한 가벼운 원자까지 보여줬다. 과학자들에게 비밀을 알려주며 동시에 풀어야 할 숙제도 남긴 것이다.
◇별의 죽음 직전 깊숙한 내부를 처음 관측
국민은행 학자금대출 학점 미국 노스웨스턴대의 스티브 슐츠(Steve Schulze) 박사가 이끈 국제 공동 연구진은 “캘리포니아주 팔로마 천문대에서 수집한 데이터를 통해 실리콘과 황, 아르곤처럼 무거운 원자가 풍부한 새로운 유형의 초신성 SN2021yfj를 발견했다”고 21일 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다. 하와이의 케크 천문대는 추가 관측을 통해 폭발로 발생한 빛과 방출된 연체채권 원자를 분석하는 데 도움을 줬다.
초신성은 거대한 별이 죽음을 맞이하는 순간 엄청난 빛을 뿜어내는 현상을 말한다. 바깥에는 이때 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원자들이 주로 발견된다. 연구진이 지구로부터 20억광년(光年·1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 곳에서 발견한 SN2021yfj는 그보다 훨씬 무거운 원자들을 부가가치세법제25조 보여줬다.
천문학자들은 오랫동안 거대한 별이 양파와 같은 구조라고 생각했다. 가장 바깥쪽은 원소주기율표에서 원자량 기준으로 1, 2번인 수소와 헬륨처럼 가장 가벼운 원자들도 구성됐고, 안쪽으로 갈수록 원자량이 점점 증가해 탄소와 산소, 마그네슘, 실리콘, 황, 아르곤, 그리고 마지막으로 철이 있는 핵에 이른다는 것이다.
별이 양파 구조를 가진 건 핵융합 덕분이다. 우리 태양보다 10배, 100배 무거운 거대한 별은 중심부의 엄청난 압력과 온도가 가벼운 원자들이 결합해 더 무거운 원자를 생성시킨다. 이 과정에서 감소하는 질량만큼 엄청난 에너지가 발생한다. 그래서 별에서 빛이 나는 것이다. 지구에서 이 과정을 모방한 것이 핵융합발전이다.
SN2021yfj의 관측 결과는 거대한 별이 폭발하기 전에 바깥쪽에 있던 수소, 헬륨, 탄소 층을 잃어버려 안쪽의 실리콘과 황, 아르곤이 풍부한 층이 노출됐다고 볼 수 있다. 슐츠 박사는 “이번 발견은 별이 뼈만 남을 정도로 외곽 층들이 벗겨진 모습을 처음 관측한 사례”라며 “오랫동안 이론으로만 알려진 거대 별의 내부 층 구조에 대한 직접적인 증거를 제공했다”고 밝혔다.
SN 2021yfj 초신성. a) 별의 핵융합은 무거운 원자가 중앙에 있고 가벼운 원자가 바깥 가장자리에 있는 층 구조를 만든다. b) 연구진이 관찰한 실리콘-황 층은 별의 수명이 다할 무렵 배출되고 실리콘이 풍부한 층으로 둘러싸인 철 핵이 남았다. c) 별이 수명을 다 하면 핵이 붕괴돼 고밀도 중성자별 또는 블랙홀이 된다. 이로 인해 엄청난 양의 에너지가 방출돼 2021yfj라는 초신성으로 폭발했다. 이때 실리콘-황 층과 충돌해 이번에 관측한 빛을 냈다./W.M. Keck Observatory/Adam Makarenko
◇기존 이론으론 설명 못 해, 새 초신성 형으로 분류
별의 맨 안쪽에는 무거운 철 핵이 있다. 별이 수명을 다하면 철 핵이 있는 중심부가 자체 중력으로 안쪽으로 압축되면서 더 뜨겁고 밀도가 높아진다. 극한의 열과 온도는 다시 핵융합을 일으키며 이 과정에서 엄청난 에너지가 폭발하면서 별의 바깥층을 밀어낸다.
슐츠 박사 연구진은 이 별의 질량을 우리 태양의 약 60배 정도라고 추정했다. 일반적으로 별이 죽을 때는 내부에 있는 원자들이 마구 섞인 채 우주로 흩어지는 모습이 관측된다. 하지만 이번에는 별이 초신성으로 폭발하기 수천 년 전에 양파처럼 층층이 벗겨지는 현상이 발생했다. 연구진은 별의 철 핵이 폭발하는 순간을 관측했으며, 이 폭발로 인해 이전에 방출됐던 별의 층이 밝게 빛났다. 바로 실리콘, 황, 아르곤이 풍부한 층이다.
별이 차례대로 껍질이 벗겨진 원인은 명확하지 않다. 슐츠 박사 연구진은 내부에서 급격한 에너지 방출로 발생한 전자기파나 압력파 같은 펄스가 차례대로 별의 물질을 찢어냈다고 추정했다.
그러나 이 이론은 이번 관측에서 헬륨이 관측된 것은 설명하지 못한다. 헬륨은 가벼운 원자여서 맨 먼저 별에서 방출됐어야 했기 때문이다. 하버드-스미스소니언 천체물리학센터의 아냐 누젠트(Anya Nugent) 박사는 이날 네이처에 같이 실린 논평 논문에서 “헬륨은 수천 년 전에 사라졌어야 했다”고 말했다.
한 가지 가능성은 이 별을 공전하던 동반성(companion star)이 헬륨을 안쪽으로 주입했을 수 있다는 것이다. 또 원시 별에서 제트가 뿜어져 나왔을 수도 있다. 하지만 누젠트 박사는 그런 제트는 관측되지 않았다고 했다.
초신성은 일반적으로 두 가지 주요 유형으로 분류된다. 수소를 포함하지 않는 1형과 수소를 포함하는 2형이다. SN 2021yfj는 새로운 유형으로, 이번 연구진은 1en형이라고 명명했다. 천문학자들은 칠레의 베라 C. 루빈 천문대와 같은 망원경을 사용해 미래에 더 많은 1en형 초신성을 발견할 수 있다고 기대했다. 루빈 천문대는 올해 말부터 10년간의 우주 조사를 시작할 예정이다.
참고 자료
Nature(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09375-3
Nature(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02425-w
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