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우주 이야기 247 - 별안에 별이 있다? 기묘한 별 TZO




 최근 천문학자들이 1975 년 이후 이론적으로 예상되었던 기묘한 하이브리드 별의 후보를 찾아내는 데 성공했다고 합니다. 1975 년 물리학자인 킵 쏜 (Kip Thorne) 과 천문학자인 안나 지트코프 (Anna Żytkow) 는 이론적으로 가능할 수 있는 독특한 하이브리드 천체를 제안했는데 이는 천체는 쏜-지트코프 천체 (Thorne-Żytkow objects (TŻOs)) 라고 불리고 있습니다. 이 천체가 독특한 점은 사실상 별안에 별이 있는 구조이기 때문입니다. 


 쏜-지트코프 천체는 그냥 겉보기에는 적색 초거성 (red supergiant) 와 비슷하게 생겼지만 사실은 두개의 천체가 같이 공존하고 있습니다. 우주에는 두개 이상의 별이 서로 공전하는 형태의 쌍성계가 매우 흔합니다. 만약에 두개의 질량이 큰 별이 서로 공전하던 중 질량이 더 큰 쪽이 최후를 맞이하고 남은 부분이 중성자별을 형성한 경우에 이 두 천체가 매우 가깝게 되면, 중성자성이 이론적으로 동반성 안쪽으로 흡수되는 일이 가능합니다. 


 이런 일이 가능하려면 사실 동반성도 거대하게 부풀어 오른 상태여야 합니다. 즉 한쪽 별은 이미 운명하고 다른 한별은 적색 거성 상태에 있어야 하는데 이렇게 되면 적색 거성의 밀도는 사실 매우 낮아져 그 가스이 밀도는 지구 대기 밀도보다도 한참 낮아지게 됩니다. 예를 들어 지구에서 가까운 적색 거성 베텔게우스의 경우 예상 밀도가 지구 대기의 10만분의 1 수준입니다. ( http://blog.naver.com/jjy0501/100120825440 참조)  


 이렇게 밀도가 낮아지는 대신 거대하게 부풀어 오른 동반 적색 거성 주변에 매우 가까운 위치에 중성자별이 있다면 중성자별이 적색 거성 속으로 빠져들게 됩니다. 본래 별을 구성하던 대부분의 물질을 잃은 상태이기 때문에 이 중성자별의 질량은 당연히 태양보다 크지만 대신 동반 적색 거성보다는 크지 않습니다. 따라서 중성자별이 적색 거성에 삼켜지는 셈인데 여기서 재미있는 일이 발생합니다. 


 중성자별은 밀도가 극도로 높은 대신 크기가 작고 적색 거성은 밀도가 극도로 낮은 대신에 크기가 매우 큽니다. 공기가 차있는 대기 중에 쇠구슬을 던지면 중력에 의해 아래로 내려가게 되듯이 중성자별도 밀도가 낮은 가스를 흡수하면서 별의 내부로 파고 들게 됩니다. 결국 적색 거성에서 가장 밀도가 높은 부분인 핵과 중성자별은 합쳐지게 됩니다. 


 이제 중성자별에는 두가지 운명이 가능합니다. 첫번째는 이 합쳐진 질량이 Tolman-Oppenheimer-Volkoff 한계 (TOV limit) 를 넘는 경우로 이렇게 되면 블랙홀이 됩니다. 그렇게 되면 이 별은 최후를 맞이하게 되겠죠. 두번째는 그 질량이 TOV 한계 밑인 경우로 이 경우 적색 거성의 핵이 중성자별로 대체됩니다. 갖 태어난 중성자별은 10 억 K 이상의 매우 뜨거운 상태인데다 그 표면 중력이 엄청나기 때문에 곧 이 중성자별로 모인 가스들은 다시 핵융합 반응을 통해서 새로운 핵의 기능을 수행하게 됩니다.


 이렇게 탄생한 쏜-지트코프 천체는 이론에 의하면 통상의 적색 거성과는 다소 다른 스펙트럼을 보이게 됩니다. 이 천체에는 대단히 강한 중원소 및 리튬 라인 ( unusually strong heavy-element and Li lines present in their spectra) 을 방출하는데 이는 물론 생성 원리상 중앙의 중성자별이 강한 중력으로 핵 주변의 무거운 원소를 태우기 때문입니다. 


 물론 쏜-지트코프 천체는 매우 드문 존재입니다. 실제로 천문학자들은 그 후보가 되는 천체를 몇개 발견하는데 그쳤습니다. 그런데 콜로라도 대학의 에밀 레베스크 (Emily Levesque of the University of Colorado Boulder) 와 로웰 천문대의 필립 마시, 캠브리지 대학의 안나 지트코프 (Philip Massey, of Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona; Anna Żytkow of the University of Cambridge in the U.K), 카네기 천문대의 니디아 모렐 (Nidia Morrell of the Carnegie Observatories in La Serena, Chile) 은 6.5 미터 구경의 마젤란 클레이 망원경 (6.5-meter Magellan Clay telescope on Las Campanas, in Chile) 을 이용해서 이론에서 예측한 것과 같은 후보 천체를 발견하는데 성공했습니다. 



(HV 2112 이 속한 소 마젤란 은하.  The two-color image shows an overview of the full Small Magellanic Cloud (SMC) and was composed from two images from the Digitized Sky Survey 2. The field of view is slightly larger than 3.5 × 3.6 degrees. N66 with the open star cluster NGC 346 is the largest of the star-forming regions seen below the center of the SMC. Credit : ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2) 


 HV 2112 라고 명명한 이 천체는 지구에서 약 20 만 광년 정도 떨어진 소마젤란 은하에 있는 적색 거성으로 그 스펙트럼 분석에서 보통 적색 거성에서는 볼 수 없을 만큼 강력한 루비듐, 리튬, 몰리브덴 (rubidium, lithium and molybdenum) 의 존재가 관측되었습니다. 이를 관측했던 모렐은 '나는 그것이 무엇인지 몰랐지만 내가 그것을 알고 있는 것만 같았다 I don't know what this is, but I know that I like it!' 라고 언급했다고 하네요. 그것은 물론 오랜 세월 그 확실한 증거를 찾기 위해 노력했던 TŻOs 였습니다.


 앞으로 이 결과가 맞는 지에 대한 더 상세한 연구와 메카니즘이 규명되어야 하겠지만 실제로 이런 천체가 가능하다면 꽤 재미있는 일이 아닐 수 없습니다. 이론적으로 있을 수 있는 일은 실제로도 있다라는 격언 (아마도 블랙홀이 바로 과거 그런 존재였던 것으로 알고 있습니다) 이 다시 입증되는 셈이니까요. 만약 이 연구 결과가 옳다고 입증된다면 이를 최초 제안했던 두 과학자에는 뜻하지 않았던 선물이 될 것 같습니다. 


 참고 


Journal Reference:
  1. Emily M. Levesque, Philip Massey, Anna N. Zytkow, Nidia Morrell. Discovery of a Thorne-Zytkow object candidate in the Small Magellanic Cloud. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, 2014




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