초신성

초신성이란 어떤 항성이 진화 마지막 단계에서 폭발함으로써 일시적으로 매우 밝게 빛나는 특별한 별이다. 항성은 종류에 따라 다양한 모습으로 생을 마감하는데, 초신성 폭발은 그 중의 하나이다. 동영상 1은 초신성 폭발을 관측한 예이다. 약 8000만 광년 떨어진 곳에 있는 NGC 2442라는 은하에서 2015년에 발생한 SN 2015F라고 하는 초신성의 모습을 초신성 폭발 전부터 폭발 후 수개월 후까지 보여준다. 초신성 폭발은 이렇게 서서히 또는 갑작스레 밝아지다가 최대로 밝은 상태인 최대광도를 보인 뒤 그 빛이 사그라지는 모양을 띤다. 우리은하에 있는 초신성 잔해와 외부은하에서 나타나는 초신성의 빈도로부터 은하 한 개당 대략 100년에 한번 꼴로 초신성 폭발이 일어난다고 알려져 있다. 초신성은, 별 내부에서 주조된 탄소, 산소와 같은 원소들을 우주공간에 뿌려주는, 생명체 탄생에 중요한 역할을 하는 천체이다. 또한 초신성을 이용한 연구로 우주가 가속팽창한다는 사실이 밝혀지기도 하였다.

목차

초신성을 나누는 1차 기준은 스펙트럼에 수소흡수선이 나타나느냐 아니냐이다. 스펙트럼에 수소흡수선이 보이지 않으면 제I형초신성, 수소흡수선이 보이면 제II형초신성이라고 부른다(그림 1). 제Ia형초신성,제Ib형초신성, 제Ic형초신성에서는 수소흡수선이나 방출선이 전혀 보이지 않지만, 제II형초신성에는 수소선이 관측이 된다.

그림 2. 초신성 분류법. 왼쪽그림은 여러 종류의 초신성 스펙트럼을 보여준다. (출처: )

초신성을 세부적으로 나누는 중요한 기준은 초신성 폭발의 물리적 과정이다. 초기질량이 태양질량의 10배 이하인 별은 단독일 경우에 생의 최종단계에서 백색왜성으로 변하여 초신성폭발을 일으키지 않는다. 쌍성계에 속해 동반성이 있을 경우에는 동반성에서 물질을 공급받아 초신성 폭발을 일으킬 수 있다. 쌍성계를 이루는 하나의 별이 먼저 백색왜성으로 변한 뒤, 동반성에서 백색왜성으로 물질들이 유입되면서 폭발적 핵융합을 일으켜 폭발이 일어난다. 이와 같은 쌍성계 초신성을 제Ia형초신성이라고 한다(그림 2a). 동반성은 적색거성, 주계열성, 백색왜성일 수 있으나 그 중 어떤 형태를 띨지는 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다.

초기질량이 태양질량의 10배 이상인 별은 심(core, 핵심)이 붕괴한 후에 폭발하는 심붕괴형(core collapse) 초신성으로 생을 마감한다. 심(core)이 헬륨, 탄소의 연소를 거처 철을 생성하고 나면 딱딱한 철심(iron core)이 되고, 철심이 찬드라세카 한계 질량에 이르면 중성자 별 또는 블랙홀로 붕괴를 한다. 그 과정에서 발생하는 충격파가 별의 폭발을 촉발시킨다(그림 2b). 이런 초신성의 대표는 제II형초신성이다. 심붕괴형 초신성에는 제II형초신성 외에도 제Ib형초신성, 제Ic형초신성이 있다. 제II형초신성도 더 세부적으로 제IIP형초신성, 제IIL형초신성, 제IIn형초신성, 제IIb형초신성으로 분류한다.

그림 3. 초신성 폭발의 두가지 유형. (a) 쌍성계를 이루는 가벼운 별에서 일어나는 제Ia형초신성의 폭발과정. (b) 심붕괴형 초신성 중 제II형 초신성 폭발이 일어나는 과정. (출처: 임명신/이지원/천문학회)

초신성이름은 국제천문연맹(International Astronomical Union)에서 정한 바에 따라 초신성의 약자인 "SN"뒤에 초신성이 발견된 해와 발견된 시간순으로 알파벳을 차례대로 붙여 사용한다. 예컨대 2015년도에 6번째로 발견된 초신성은 ‘SN 2015’뒤에 알파벳 6번째 알파벳인 F를 붙여 SN 2015F라고 부른다. 만약 26개 보다 더 많은 초신성이 그 해에 발견되었다면 알파벳 두 개 또는 여러 개를 조합하여 이름을 붙인다. 예컨대 2015년도 27째에 발견 된 초신성의 경우 알파벳 Z를 넘어가기 떄문에 "a" 뒤에 또 첫째 "a"를 붙여 SN 2015aa라고 부른다. 1999년에 발견 된 초신성은 약 200개에 불과했지만 2016년에 이르러서는 6000개 이상의 초신성이 한 해 동안 발견되는 등 발견되는 초신성의 수는 관측기술의 발달에 따라 급격하게 늘어나고 있는 추세이다. 최근 들어서는 라는 곳에 초신성을 비롯한 갑작스레 나타나는 천체의 발견이 보고가 된 후, 스펙트럼 관측으로 그것이 초신성이라는 것이 확인이 되면 그 천체에 초신성 이름을 붙이게 된다.

초신성은 별의 진화 단계 마지막 종착역이므로, 초신성을 이해한다는 것은 별의 생로병사를 이해한다는 점에서 뜻깊다. 특히 죽은 별이 남기게 되는 백색왜성, 중성자별, 블랙홀과 같은 잔해는 극단적인 물리적 환경을 가지고 있어 그 존재유무에 대해서 논란이 있기도 하였다. 그런 뜻에서 별의 죽음에 대한 이해와 이러한 특이한 별의 존재유무를 밝혀 낸 연구에 대하여 여러 차례 노벨상이 수여된 것은 당연한 일이라고 할 수 있다. 또한 초신성 폭발은 별의 내부에서 주조된 철 이하의 질량수를 가진 원소들을 주변 공간에 뿌려주는 역할을 하고 더 무거운 원소가 탄생할 수 있는 환경을 제공하기 때문에 새로운 별과 생명체의 발현에 필수적인 중요한 과정으로 인식되고 있다. 제Ia형초신성은 수십억 광년 이상 떨어진 곳에 있는 먼 은하의 거리를 재는 중요한 도구로 사용이 되고 있으며, 제Ia형초신성으로 우주가 가속팽창하고 있다는 사실이 알려지기도 하였다.

초신성과 비슷한 폭발적인 현상으로는 감마선이 폭발적으로 나타나는 감마선폭발 현상(Gamma-Ray Burst; GRB), 중성자별의 충돌 현상을 들 수 있다. 감마선폭발 천체현상 중 일부는 제Ic초신성을 동반하고 있어 그 경우 기원이 같다는 점이 알려져 있다. 중성자별의 충돌은 2초이하의 짧은 지속시간을 갖는 짧은 감마선폭발과 중력파를 발생시키며, 킬로노바(Kilonova)라고 하는 초신성보다 규모는 작지만 신성보다는 1000배 정도 더 밝은 폭발현상을 발생시킨다. 중성자별의 충돌은 금, 은과 같은 철보다 무거운 원소를 만들어내는 주된 메커니즘으로 알려져 있다. 2017년 8월17일에 중력파와 전자기파에서 최초로 동시관측된 중력파천체 GW170817은 중성자별 충돌의 대표적인 예로, GW170817의 발견은 중력파와 전자기파 신호로 우주를 새롭게 연구하는 다중신호천문학(Multi-Messenger Astronomy)라는 연구분야를 촉발시켰다.