우주이야기 58 - 별의 최후 5

  극초신성과 감마선 버스트

 과학자들은 1960년대 핵실험의 증거를 찾아내기 위한 관측에서 감마 레이 버스트라는 엄청난 폭발이 우주 저편에서 발생한다는 사실을 알아냈다. 이것을 밝힌 것은 바로 미국의 관측위성 벨라였는데 감마선은 대부분 대기중에서 흡수되기 때문이다. 사실 이 위성이 하는 일은 소련이 비밀리에 시행하는 핵실험을 관측하기 위해서였다. 그러나 이 위성은 우연히 강력한 감마선을 목격하게 된다. 

 1990년대 이후 과학자들은 이 감마선 버스트의 정체에 한발 더 다가갔다. 1997년 이탈리아의 관측위성 베포 삭스 (Beppo SAX)는 감마선 버스트의 위치를 알아낼 수 있는 장치를 내장하고 있었다. 1997년 발생한 감마레이 버스트  GRB 970508 는 베포삭스에 의해 위치가 알려졌고 지상의 망원경등을 동원하여 그 자세한 관측이 이루어졌다. 그 결과 적어도 60억 광년 떨어진 지점에서 GRB 970508 이 있음이 분명해졌다. 이렇게 먼 거리에서도 관측이 가능한 감마선이라면 본래의 에너지가 엄청나다는 의미였다. 

 그 이후 발사된 관측 위성 헤티 2 (HETE - 2) 는 2003년 더 결정적인 증거를 찾았다. 과학자들은 감마선 버스트가 긴것과 짧은 것 두가지 종류가 있다는 것을 알고 있었다. 긴 감마선 버스트는 약 2초에서 길게는 수백초였고 짧은 것은 2초 이하이며 대개 1초 이내로 사라져 버린다. 헤티 2 가 목격한 긴 감마선 버스트를 관측한 결과 이것이 초신성 폭발과 유사하다는 것을 알 수 있었다. 

 이후 새롭게 발사된 스위프트 관측 위성 및 지상의 감마선 버스트 관측 네트워크의 협력으로 우리는 긴 감마선 버스트의 원인이 아마도 초신성 중에서도 아주 강력한 극초신성 폭발에 의한 것이라는 증거를 얻었다. 

(감마레이 버스트의 아티스트 컨셉   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  ESO. Original uploader was Lars Lindberg Christensen at en.wikipedia )

 이와 같은 극초신성은 적어도 태양 질량의 25배 정도 되는 항성, 더 나아가서는 태양 질량의 수백배에 달해 에딩턴 한계 (태양 질량의 120배 정도로 이 이상이면 항성이 안정적으로 유지되기 힘들다) 를 넘는 불안정한 거성들에서 볼 수 있다고 생각된다. 

 그 에너지 양은 적어도 10⁴⁸ J 에 달해서 일반적인 Type II  초신성의 100배에 이르기 때문에 극초신성이라는 명칭이 적합할 것이다. 이와같은 극 초신성 폭발을 일으키는 거대한 천체들은 극대거성 (Hypergiant) 이라는 명칭을 상용하기도 한다. 

 이들의 초신성 폭발 메카니즘은 일반적인 초신성의 폭발 메카니즘과는 많이 다르다고 생각된다. 이들은 내부에 철의 핵이 생겨 중력 붕괴가 일어나면 엄청난 중력 때문에 바로 블랙홀이 생긴다고 여겨진다. 이렇게 생성된 블랙홀은 폭발을 일으키기 보다는 별의 중심에서 부터 별을 먹어 치우기 시작한다. 

(극초신성의 탄생. 말기에 별 내부에서 바로 블랙홀이 발생한다  The copyright holder of this file, National Science Foundation, allows anyone to use it for any purpose, provided that the copyright holder is properly attributed. Redistribution, derivative work, commercial use, and all other use is permitted. )

 블랙홀에 대해서는 나중에 별도로 다시 설명하겠지만 물질이 블랙홀로 빨려 들어갈때는 일단 주변에 강착원반을 형성하게 된다. 그리고 사상의 지평면으로 사라져야 하지만 이것도 너무 한꺼번에 많은 물질이 빨려 들어갈 때는 모든 물질이 한번에 들어갈 수는 없다. 마치 문은 좁은 데 한꺼번에 너무 많은 사람이 몰려서 교착상태에 빠지는 것과 같다. 

 한편 블랙홀 주변에는 강력한 자기장이 형성되게 되는데 이 자기장의 영향으로 블랙홀의 회전 축에는 강력한 자기의 흐름이 발생하게 된다. 결국 강착원반에 너무 많은 물질들이 다 빨려들어가지 못하면 이 곳으로 빠져나가게 되는데 이를 제트 (Jet) 라 부른다. 

(일반적으로 블랙홀 하면 흡수하는 천체의 이미지가 강하지만 많은 물질이 빨려들어 갈때는 이렇게 강력한 제트를 내뿜는다 This file is in the public domain because it was created by NASA)

 이와 같은 강착 원반과 제트의 분출은 우리가 실제로 은하 중심 블랙홀에서 볼 수 있다. 

(은하 M87 의 중심 블랙홀에서 나오는 강력한 제트  This file is in the public domain because it was created by NASA )

 그런데 이 경우에는 별의 중심에서 바로 제트가 뿜어져 나오게 된다. 그 힘은 엄청나서 결국 별은 양축 방향으로 대 폭발을 일으킨다. 

 위의 동영상은 이 폭발을 묘사한 것이다. 이 양축 방향의 광속으로 뿜어져 나오는 제트는 주변 물질과 충돌해 엄청난 열로 가열되며 감마선을 분출하게 된다. 

 만약 우리가 이 폭발을 축 방향에서 보게 되면 긴 감마선 버스트로 관측하게 되는 것이다. 이 점을 생각해 본다면 실제로 우주에는 이와 같은 극초신성의 숫자가 생각보다 많으며 우리가 축방향에서 관측한 것은 그 중 극히 일부일 가능성도 있다. 

 이와 같은 강력한 감마선 폭발이 만약 지구에서 비교적 가까운 거리에서 일어난다면 지구 생태계에 심각한 타격을 줄 수도 있다. 여기에 관해서는 한가지 재미있는 이론이 있는데 4억 4천만년전의 오르도비스 - 실루리안 멸종 사건 (Ordovician–Silurian extinction event) 의 원인이 6천 광년 정도 떨어진 위치의 감마레이 버스트라는 것이다. 그러나 확실히 입증할 만한 증거가 있는 이론은 아니다. 

 물론 충분히 가까운 거리에 있는 감마선 버스트는 지구 생명체에 엄청난 타격을 입힐 수 있는 것은 사실이다. 이 문제에 대해서는 다음에 다시 이야기할 생각이다.

  한편 짧은 감마선 버스트의 기원에 대해서는 아직도 의견이 엇갈리고 있다. 여기엔 몇가지 가설이 존재하는데 예를 들면 중성자성의 충돌 같은 원인이다. 그러나 아직도 규명되어야 하는 부분들이 많다.

 아무튼 이 극초신성의 폭발은 우주에서 빅뱅 자체를 제외하면 가장 거대한 폭발로 생각된다.