제II형초신성

제II형초신성은 항성이 폭발하여 생을 마감하는 초신성 현상의 한 종류이다. 태양보다 약 10배 이상 무거운 별은 심붕괴형 초신성(Core-collapse Supernova)이라는 폭발로 생을 마감하게 되는데 그 종류의 하나가 제II형초신성이다. 심붕괴형 초신성은 제Ib형, 제Ic형, 제IIP형, 제IIn형 등 그 종류가 매우 다양하다. 초신성의 스펙트럼에 수소 흡수선이 보이는지 아닌지에 따라 초신성을 제I형 및 제II형 초신성으로 분류하는데 스펙트럼에 수소 흡수선이 보이는 경우를 제II형초신성이라고 부른다.

목차

항성이 진화함에 따라서 항성중심부에 철이나 그보다 가벼운 원소로 이루어진 심(별중심핵, core)이 생기면서 중력의 힘이 커진다. 이 때 무거운 별을 자체중력에 의한 붕괴로부터 지켜주는 것은 별 내부의 핵융합반응에 의하여 생기는 에너지이다. 그러나 심의 핵융합과정이 한 단계씩 진행되다가 매우 안정된 원소인 철이 만들어지는 단계에 이르게 되면 더 이상 핵융합에 의한 에너지 생성이 일어나지 않게 된다. 그렇게 될 경우 심 주변 물질들이 중력에 의하여 광속에 가까운 매우 빠른 속력을 가지고 심으로 떨어지는데 이렇게 떨어진 물질들은 단단한 심과 충돌하면서 충격파를 만들어 낸다. 이 충격파로 인하여 별이 파괴되고 초신성 폭발이 일어나게 된다. 초신성 폭발 이후 별의 심은 중력붕괴를 계속하여 양성자와 전자가 결합하여 중성자로만 이루어진 중성자별이나 더 심한 중력붕괴를 하면 블랙홀이 된다. 무거운 별들은 중심부의 질량 밀도와 온도가 매우 높아서 핵융합을 위한 연료들이 빨리 소진하기 때문에 비교적 빨리(약 1백만 년에서 1억년 사이) 그 생을 마감하게 된다. 그러한 이유 때문에 심붕괴형 초신성은 젊은 별들이 태어났다 곧 소멸되는 일이 다반사로 일어나는 별생성 지역이라는 곳에서 자주 발견되며, 그 외에도 우주의 나이가 매우 적은 시기에도 존재했을 것으로 보이는 천체라 할 수 있다.

제II형초신성은 제IIP형, 제IIL형, 제IIn형, 제IIb형 등으로 세분류한다. 제II형초신성의 광도곡선의 모양이 최대광도에 다다른 뒤 시간에 따라 꾸준히 어두워지는 경우를 제IIL형초신성, 약 100일 내외의 기간 동안 거의 일정한 광도를 유지한 뒤 어두워지는 경우를 제IIP형초신성이라고 부른다(그림 1). 여기서 ‘L’은 광도가 선형적으로(linear) 어두워진다는 의미에서 영어단어 ‘linear’의 머리글자를 따온 것이며 ‘P’는 안정적으로 밝은 상태를 유지한다는 뜻에서 영어 단어 ‘plataeau(고원)’의 머리글자를 따온 것이다. 초신성 스펙트럼에 좁은 수소 방출선이 나타나게 되면 제IIn형초신성으로 분류가 되며 여기서 ‘n’은 좁다는 영어인 ‘narrow’의 머리글자를 딴 것이다. 또한 초신성 발생 초창기 수소 흡수선이 스펙트럼이 보이다가 사라지는 특이한 초신성을 제IIb형초신성이라 부른다.

그림 1. 여러 종류의 초신성 광도곡선의 비교. X축은 시간, Y축은 초신성 절대등급을 보여준다(숫자가 작을수록 밝음).(출처: )

앞서 언급한대로 제II형초신성의 원형별인 무거운 별들의 수명은 약 백만 년에서 1억 년 정도이다. 태양의 수명이 100억 년이 넘는다는 점으로 볼 때 제II형초신성의 원형별의 탄생과 초신성 폭발까지의 시간은 보통 항성의 수명에 비해 매우 짧다. 이런 이유 때문에 제II형초신성은 나이가 어린 별들이 많이 있는 별생성 지역에서 나타나며, 제II형초신성의 모은하(host galaxy)도 별생성 은하들이다. 일반적으로 초신성의 발생빈도는 별생성율에 비례한다는 사실이 알려져있다. 제II형 초신성 폭발은 주변환경에도 영향을 미친다. 제II형초신성의 원형별 내부에서는 철을 비롯한 다양한 무거운 원소들이 만들어진다. 제II형초신성 폭발과정에서 이러한 원소들이 별 주변으로 흩어지면서 주변환경의 무거운 원소의 비율을 높이게 된다. 이렇게 무거운 원소의 비율이 높아진 성간물질에서 탄생한 항성에서는 무거운 원소의 비율이 높을 것이며, 따라서 최근에 탄생한 별일수록 무거운 원소의 함량이 높아지게 된다. 지구에 철과 같이 무거운 항성 내부에서 만들어질 수 있는 원소들이 있게 된 것도 제II형초신성 폭발때문이라고 할 수 있다.