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우주 이야기 243 - 울프 레이예 별에서 초신성 변하는 순간을 포착하다

 

 오래전 포스팅 한 반 있지만 우주에는 울프레이에 별 (Wolf-Rayet) 이라는 극단적으로 뜨거운 별이 존재합니다. 이들은 태양 질량의 20 배가 넘는 대형 별로써 사방으로 강력한 항성풍을 내놓는 별입니다. 이들 가운데는 2000 km/s 수준의 엄청난 항성풍을 내뿜으면서 태양질량의 10만분의 1 수준의 물질을 매년 내뿜는 별 (그러니까 10 만년이면 태양 질량 만큼 물질을 잃는 다는 것) 도 있는데 이는 태양보다 10 억 배 정도 항성풍으로 물질을 빨리 잃는 것입니다. 울프 레이에별의 표면 온도는 30000 - 200000 K 수준으로 우리 우주에서 가장 뜨겁고 격렬하게 타는 별이라고 할 수 있습니다. 초대형 별 R136a1 ( http://jjy0501.blogspot.kr/2012/08/107_24.html 참조) 그 사례라고 할 수 있죠. 


 그런데 이렇게 거대하고 격렬하게 타는 만큼 사실 오랬동안 유지되기는 힘들다고 할 수 있습니다. 질량이 매우 작고 어두운 적색 왜성은 1 조 년 이상 오래 살아갈 수 있지만 이런 거대 항성은 빠르게 연료를 소진하면서 수백만년만에 짧은 인생을 마감합니다. 죽음의 순간이 오면 울프 레이에 별은 아마도 Type IIb 초신성 폭발 ( http://jjy0501.blogspot.kr/2012/06/57-4.html 참조) 을 일으키면서 화려한 삶을 극적으로 마감하는 것으로 보입니다.


 마지막에 보인다고 설명한 이유는 사실은 아직 울프 레이에 별의 최후를 정확하게 직접 관측한 사례가 없기 때문입니다. 울프 레이에 별 자체가 사실 드물 뿐 아니라 대부분 멀리 떨어져 있고 주변에는 별에서 나온 가스로 인해 관측이 곤란한 점 때문에 이들의 존재에 대해서 오래전 부터 알려져 있었음에도 불구하고 사실 그 탄생과 일생, 그리고 최후에 대해서는 이론적 정보 외에 직접 관측에 의한 정보가 부족했습니다. 


 다수의 과학 연구 기관들이 협력해서 구성한 intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) - 여기에는 National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) and  Energy Sciences Network (ESnet), both located at the U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 이 포함 - 연구는 처음으로 목동 자리 (Bootes constellation) 방향으로 약 3 억 6000 만 광년 떨어진 울프 레이에 별이 Type IIb 초신성으로 폭발하면서 최후를 맞이하는 장면을 목격했습니다. 




(울프 레이에별이 Type IIb 초신성으로 최후를 맞이한 순간 ) A star in a distant galaxy explodes as a supernova: while observing a galaxy known as UGC 9379 (left; image from the Sloan Digital Sky Survey; SDSS) located about 360 million light years away from Earth, the team discovered a new source of bright blue light (right, marked with an arrow; image from the 60-inch robotic telescope at Palomar Observatory). This very hot, young supernova marked the explosive death of a massive star in that distant galaxy. A detailed study of the spectrum (the distribution of colors composing the light from the supernova) using a technique called "flash spectroscopy" revealed the signature of a wind blown by the aging star just prior to its terminal explosion, and allowed scientists to determine what elements were abundant on the surface of the dying star as it was about to explode as a supernova, providing important information about how massive stars evolve just prior to their death, and the origin of crucial elements such as carbon, nitrogen and oxygen. Credit: Avishay Gal-Yam, Weizmann Institute of Science


 이 초신성의 이름은 SN 2013cu 으로 이스라엘의 와이즈만 연구소 (Weizmann Institute of Science) 의 아비샤이 갈-얌 (Avishay Gal-Yam) 이 이끄는 연구팀에 의해서 발견되었습니다. 이들은 앞서 이야기한 iPTF 의 장비를 이용해서 이를 관측한 끝에 폭발의 전과정을 생생하게 목격할 수 있었습니다. 이들의 관측은 초신성 폭발이 꽤 진행 된 후가 아닌 초기부터 (대략 5 시간 이후) 관측할 수 있게 해준다는 점에서 중요합니다. 

 연구의 리더인 갈-얌은 "(새로운 관측 기술은 이제 우리가 이전에 꿈꿔왔던 일 - 즉 초신성 폭발을 실시간으로 관측하는 것 - 을 가능하게 한다) Newly developed observational capabilities now enable us to study exploding stars in ways we could only dream of before. We are moving towards real-time studies of supernovae," 라고 설명했습니다. 


이전의 모든 초신성 연구는 사실 뒷북을 치는 연구였습니다. 우리는 폭발 꽤 진행된 이후에서야 폭발 사실을 알았고 울프 레이에 별이 초신성이 되는 과정을 볼 수는 없었습니다. 사실 이 별들이 우주에 드문 존재임에도 불구하고 과학자들이 높은 우선순위를 두고 연구하는 이유는 오늘날 지구와 지구상에 존재하는 많은 생명체를 가능하게 만든 수많은 원소들이 이런 초신성의 내부에서 형성되어 우주에 퍼져있기 때문입니다. 이런 거대 별과 초신성에 대한 연구는 결국 우리가 어디서 왔는가에 대한 연구이며 이는 과학이 풀어야할 중요한 질문 가운데 하나입니다. 


 연구팀은 울프 레이에 별이 초신성으로 폭발해서 초신성의 파편이 항성풍에 있는 모든 정보를 없애버리기 전에 (Before the supernova debris overtook the wind) 포착하는데 성공했습니다. 이 정보를 수집하기 위해서 켁 망원경 같은 지상의 대형 망원경과 나사의 스위프트 위성 등 우주와 지상에 있는 모든 장비들을 동원해 관측이 이뤄졌다고 합니다. 이렇게 얻은 정보는 향후 초신성의 폭발과 울프 레이에 별의 운명에 대한 이론들을 실증할 것으로 기대되고 있습니다. 특히 3억 6000 만 광년이라는 매우 먼 거리에서 관측이 성공했기 때문에 앞으로의 응용범위가 넓을 것으로 기대되고 있습니다. 


 이 연구는 네이처에 실렸습니다.   



 참고  





Journal Reference:
  1. Avishay Gal-Yam, I. Arcavi, E. O. Ofek, S. Ben-Ami, S. B. Cenko, M. M. Kasliwal, Y. Cao, O. Yaron, D. Tal, J. M. Silverman, A. Horesh, A. De Cia, F. Taddia, J. Sollerman, D. Perley, P. M. Vreeswijk, S. R. Kulkarni, P. E. Nugent, A. V. Filippenko, J. C. Wheeler. A Wolf–Rayet-like progenitor of SN 2013cu from spectral observations of a stellar windNature, 2014; 509 (7501): 471 DOI:10.1038/nature13304

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