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우주 이야기 107 - 초거대 항성의 비밀은 ?





 최근에 발견된 거대 질량 항성 가운데는 기존의 항성 질량의 한계로 여겨진 태양 질량의 150 배를 뛰어넘는 항성들이 존재합니다. 그 중에서 현재까지 발견된 가장 거대한 질량을 가진 항성은 R136a1 입니다. 이 울프 레이에 (Wolf Rayet) 별은 대략 태양 질량의 265 배 (+80 / -35) 에 이르는 것으로 추정되고 있습니다. 참고로 크기는 태양 지름의 35.4 배 (+4.0/-3.6) 이며 표면온도는 53000 K, 밝기는 태양 밝기의 870 만배 가량으로 추정되고 있습니다. 


 이 거대 질량 항성은 다른 거대 질량 울프 레이에 들과 함께 R136 이라는 초성단 (super star cluster) 를 이루고 있습니다. 그리고 R136 (혹은 RMC 136) 초성단은 30 Doradus complex (혹은 타란튤라 성운 Tarantula Nebula) 이라고 불리는 500 여 광년에 이르는 거대 가스와 별들이 모인 지역 (H II region) 의 한 가운데 위치하고 있습니다. (타란튤라 성운에 대해서는 http://blog.naver.com/jjy0501/100141733759  를 참조) 


 이들은 지구에서 대략 16만 광년 떨어진 거대 마젤란운 (LMC Large Magellan Cloud - 대 마젤란 은하) 내부에 존재하는 뜨거운 구름과 새롭게 생성된 젊은 별들이 모인 구역입니다.



(R136 구역의 허블 우주 망원경 사진    Source : NASA )


 R136 에는 최대 질량 별은 R136a1 을 비롯 태양 질량의 195배로 2위에 해당하는 R136a2,  그리고 태양 질량의 175 배로 3위로 현재 추정되는 R136c 등 태양 질량의 150 배가 넘는 별들이 존재합니다. 이들이 발견된 2010 년 이후 천문학자들은 기존의 이론을 뛰어넘는 이런 별들이 어떻게 생길 수 있는지에 대해 가설을 만들었습니다. 


 이에 의하면 이런 초거대 질량 별들은 탄생 초기엔 태양 질량의 150 배 이하였습니다. 그러나 이들이 태어난 가스 구름은 입자의 밀도가 높아 이런 거대 질량별들이 다수 생겼고, 좁은 구역에 여러 별들이 탄생하면서 중력에 의해 몇개의 별들이 합쳐지는 사건이 일어나게 됩니다. 그러면 최대 태양질량의 300 배에 달하는 항성이 탄생하게 됩니다. 이와 같은 가설은 본 대학 (Bonn Univ.) 의  Sambaran Banerjee 등의 연구자들이 주장한 것으로 이들은 이를 통해 태양 질량의 150 배 가 넘는 별도 생성될 수 있다고 주장했습니다. 


 이런 거대 항성들은 상당히 불안정하며 외각에서 강력한 항성풍으로 많은 질량을 잃게 됩니다. 실제로 R136a1 역시 생성 당시엔 태양 질량의 320 배 수준이었던 것으로 보이며 지난 100 만년간 태양 질량의 50배에 달하는 물질을 잃어버린 것으로 생각되고 있습니다. 


 한편 또 다른 흥미로운 가설은 이렇게 태양 질량의 130 - 250 배 사이의 항성들이 실제 존재할 경우 최후의 순간에 쌍불안정 초신성 ( Pair - Instability Supernova ) 라는 현상을 일으킬 수 있다는 것입니다. 이는  항성 내부의 막대한 에너지로 인해 핵에서 전자와 그 반입자인 양전자 (electron & positron) 이 쌍생성되었다가 다시 감마선 형태로 소멸되면서 에너지를 항성의 핵에서 밖으로 방출하게 되는데, 그로 인해 막대한 중력의 힘을 상쇄할 열에너지가 부족해져 거대 질량 항성이 이른 붕괴를 일으키게 된다는 가설입니다. 


 즉 초기에 중심부 에너지가 떨어져 중력 붕괴가 빨리 일어나게 된다는 것이죠. 이런 강력한 조기 중력 붕괴는 결과적으로 열핵폭발을 일으키는데 이로 인해 오히려 폭발 이후에는 블랙홀을 만드는데 필요한 질량이 남지 않을 수 있으며 폭발 잔해는 모두 우주 공간으로 흩어지게 된다고 합니다. 아직까지 순수한 쌍불안정 초신성은 관측되지 않았기 때문에 100% 입증할 순 없지만 만약 실제로 관측된다면 항성의 진화에 대한 흥미로운 이론이 아닐 수 없습니다. 



(쌍불안정 초신성의 일러스트레이션, 쌍생성과 감마선으로의 소멸 과정을 묘사  Original caption: "This illustration explains the process that astronomers think triggered the explosion in SN 2006gy. When a star is very massive, its core can produce so much gamma-ray light that some of the energy from the radiation is converted into particle and anti-particle pairs. The resulting drop in energy causes the star to collapse under its own huge gravity. After this violent collapse, runaway thermonuclear reactions (not shown here) ensue and the star explodes, spewing the remains into space."  NASA/CXC/M. Weiss )     


 R136a1 보다 더 거대한 항성이 발견될 수 있을 지, 그리고 태양 질량 130 배 이상의 순수한 쌍불안정 초신성이 관측될 수 있을지 (이전에 폭발한 초신성 SN2006gy 가 질량은 태양의 40 배 수준이라도 그 후보이긴 합니다. 이 초신성에 대해서는 나중에 기회되는 데로 설명해 봅니다. ) 아마도 시간이 흐르고 관측 기술이 발전하면 알게 될 것으로 생각합니다. 

  
참고





Banerjee, Sambaran; Kroupa, Pavel; Oh, Seungkyung (2012). The emergence of super-canonical stars in R136-type star-burst clusters. arXiv:1208.0826. Bibcode2012arXiv1208.0826B.
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