질량이 큰 별들은 빅뱅 이후 가장 큰 규모로 폭발하며 일생을 마감한다. 과학자들은 이처럼 운이 다한 별들에 관한 비밀을 밝혀내고 있다

플라스마 제트

컴퓨터 영상으로 본 별의 최후. 죽어가는 별이 마지막 숨을 토해내듯, 초고온의 플라스마가 빛에 가까운 속도로 우주 공간으로 분출하고 있다. 최근 몇 년간 과학자들은 별들이 어떻게 죽고, 우주에서 가장 화려한 폭발 장면을 어떻게 연출하게 되는지 이해하기 시작했다.

사진 : 장웨이춘(스탠퍼드대학교), 스탠 우슬리(캘리포니아대학교 샌타크루즈 캠퍼스) 제공

초신성

밤의 화톳불처럼 제1a형 폭발도 거의 동일한 밝기를 내기 때문에, 지구로부터의 거리를 재는 척도가 되기도 한다. 지구에서 멀리 떨어진 은하들의 사진 속에서 초신성은 푸르게 빛나는 점으로 보인다.

사진 : 벤 딜데이(시카고대학교) 제공

초신성 폭발을 눈앞에 두다

태양보다 질량이 100배나 큰 별 ‘에타 카리나’가 거대한 가스와 먼지 구름 사이에서 끓어오르고 있다. 지구에서 8000광년 떨어진 이 별은 초신성 폭발을 눈앞에 두고 있지만, 그것이 언제인지는 예측할 수 없다.

사진 : 제프 헤스터 (애리조나대학교)

죽음의 꽃

일부 초신성은 질량이 큰 별이 붕괴하면서 폭발을 일으킬 때 발생하는 현상으로, 과학자들은 이 과정을 이해하는 데 오랫동안 어려움을 겪었다. 최근 연구원들은 슈퍼컴퓨터의 도움을 받아 이와 같은 시뮬레이션을 만들기 시작했으며, 이것은 폭발 초기 과정에 있는 별을 보여준다. 이 영상에서 중앙에 있는 노란 점은 붕괴되어 중성자별이 되는 이 별의 중심핵을 나타내고, 붉은색과 푸른색은 사멸하는 별에서 튀어나온 더 차갑고, 밀도가 더 낮은 물질을 나타낸다.

사진 : 애덤 버로스(애리조나대학교) 제공

우주의 잔해

우주라는 검은 천을 배경으로 게 성운의 가스 상태 필라멘트가 퍼진다. 이 성운은 지금까지 알려진 가장 가까운 초신성 중 하나로 6500광년 떨어진 곳에서 폭발한 별의 잔해다. 초기 천문학자들이 이 초신성을 처음 발견한 것은 1054년의 일로, 당시 몇 주 동안 계속 낮에도 볼 수 있을 정도로 별이 밝게 빛났다. 이 영상에 나타난 가스의 대부분은 아직도 폭발 중심부에서 바깥쪽으로 움직이고 있으며, 일부는 시간당 500만km 이상 움직이고 있다.

사진 : 영상: 쟝-샤를르 길랑드르, 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT).

왜성의 마지막 순간

우주 최대의 폭발 가운데 하나는 백색외성이 근처의 다른 별에서 여분의 물질을 빨아들이면서 시작된다. 이 컴퓨터 모형은 중심핵 부근의 거대한 압력과 열로 인해 핵폭발이 일어나는 과정을 보여준다(A). 탄소와 산소를 태우면서(푸른색, B) 화염이 바깥쪽으로 퍼져나간다(C와 D).

사진 : 프리드리히 롭케(캘리포니아대학교 샌타크루즈) 제공

빛나는 종말

별이 붕괴된 뒤, 니켈을 비롯한 여러 원소들로 이루어진 방사성 구름이 한 은하의 전체 밝기에 버금갈 정도의 밝은 빛을 내며 수주 동안 빛난다.

사진 : 프리디리히 롭케(캘리포니아대학교 샌타크루즈 캠퍼스) 제공

항성 보육원

항성은 오리온 성운(여기 나온 것은 허블우주망원경으로 촬영한 영상을 모자이크한 것)처럼 가스와 먼지로 된 거대한 구름 속에서 탄생한다. 이런 성운에서 수백만 년에 걸쳐 차가운 가스가 붕괴되어 밀도가 더 높은 덩어리가 된다. 결국 이 덩어리 안에서 핵융합이 일어날 정도로 온도와 압력이 높아져 항성이 탄생하게 된다. 과학자들은 초신성에서 나오는 충격파가 항성 생성의 촉진제 역할을 해, 가스구름을 밀어내고 초신성을 붕괴하게 만드는 것인지 모른다고 생각한다.

사진 : 영상: NASA, ESA, M. 로베르토(우주망원경과학연구소/ESA), 허블우주망원경 오리온보고프로젝트팀

질량이 큰 별의 내부 폭발

이 그림은 질량이 큰 별이 폭발하는 과정을 보여준다. 거대한 별(A)이 갖고 있던 연료를 모두 소모한 뒤 붕괴한다. 뒤이어 일어난 폭발(B)로 인해 별의 외층이 날아가고(C), 망원경에는 구름이 관측된다(D).

사진 : (A) 돈 딕슨; (b, C) 로버트 A. 페센(다트머스대학), 제임스 롱(NASA/ESA); (D) 하비 리체

별의 잔해

'카시오페아 A'라 불리는 성운은 325년 전 폭발한 별의 잔해다. 적외선 촬영 이미지를 합성한 사진의 중심 가까이에 보이는 푸른 점은 중심핵의 잔해인 중성자별이다. 중성자별은 밀도가 아주 높아서 손톱만큼 떼어낸 무게가 이집트의 피라미드 하나를 능가한다.

사진 : NASA/JPL/Caltech/Oliver Krause, University of Arizona

폭발의 역사

지구를 둘러싼 우주 공간은 수많은 폭발로 얼룩져 있다. 이 지도는 지구(가운데 보이는 구체)를 중심으로 수백 년 혹은 수천 년 전 우리 은하에서 폭발한 별들의 위치를 보여준다. 가장 가까운 별도 지구에서 수백 광년 이상 떨어져 있다. 태양은 폭발하지 않고 수십억 년에 걸쳐 서서히 죽어갈 것이다.

사진 : 카터 엠마트(미국 자연사박물관) 제공

감마선 폭발

빠르게 회전하는 질량이 큰별이 죽음을 앞두고 겪는 내부 변화를 컴퓨터를 이용해 모의 실험하려면 수백 대의 컴퓨터가 숫자와 씨름해야 한다. 중심핵이 붕괴한 뒤 속도가 느린 가스들로 이루어진 네 개의 기둥(오렌지색)에 둘러싸인 채 플라스마가 맹렬히 분출된다(푸른색). 몇 초후, 플라스마는 우주 공간으로 날아가며 밝은 빛의 감마선을 방출한다. 뒤에 남은 네 개의 가스 기둥은 붉은 꽃잎처럼 벌어지며 초신성 폭발을 야기시킨다. 질량이 큰 별들은 폭발하면서 철, 탄소, 산소 같은 원소들을 우주에 내뿜는다. "우리 혈액 속에 들어 있는 철은 초신성에서 온 겁니다." 천체물리학자 앤드루 맥페다인이 강조했다. "별이 우리의 직계 조상인 셈이죠."

사진 : 앤드루 맥페다인(뉴욕대학교), 장웨이춘(스탠퍼드대학교) 제공

탈출구는 없다

초대형 별들은 붕괴하면서 블랙홀이 되기도 한다. 이 컴퓨터 영상은 블랙홀의 어마어마한 중력이 렌즈처럼 작용하며 뒤쪽의 별빛을 일그러뜨리는 장면을 보여준다. 블랙홀은 눈에 보이지 않지만, 천문학자들은 블랙홀 줒변에서 별들의 종말을 암시하는 빛을 관측해왔다.

사진 : 덴버 자연 및 과학박물관 외 제공

숨은 블랙홀

유럽의 감마선 탐지 인공위성 인테그럴이 x선 파장으로 찍은 천체 전경에서 다이아몬드 표시가 된 부분은 블랙홀의 위치를 나타낸다. 질량이 가장 큰 별이 폭발할 때 생기는 블랙홀은 눈에 보이지 않지만, 블랙홀의 강력한 중력에 의해 빨려 들어간 가스는 수백만 도가 넘게 달궈져x선상에서 밝게 빛난다. “블랙홀은 절벽에서 떨어지는 폭포와 같다고 생각하면 가장 좋습니다.” 천체물리학자 앤드류 해밀턴은 말한다. “다만 떨어지는 게 물이 아니라 공간이라는 게 다를 뿐이죠.”

사진 : 영상: D. 핀크바이너 (수소)/ESA, 인테그럴, V. 베크먼, NASA-GSFC (감마선)