(Artist's conception of a shock-interacting supernova. Successive eruptions of a massive star produce ejecta with different velocities: the blue ring corresponds to slowly moving layers which are punched by fast ejecta (red-to-yellow) which shoots out. Interaction of those gas masses is via radiating shock waves which produce enormous amounts of light. This explains the phenomenon of Superluminous Supernovae with minimum requirements to the energy budget of explosions. Credit: Kavli IPMU)
초신성 폭발은 별의 일생 중 가자 강력한 폭발이 일어나는 순간입니다. 때때로 그 밝기는 은하 전체만큼 밝을 수 있습니다. 과학자들은 이런 초신성 폭발 가운데서도 특히 강한 폭발을 Superluminous Supernovae (SLSNe)라고 명명했는데, 이중에서 수소가 거의 없는 초신성을 SLSNe-I (hydrogen poor)로 분류하고 있습니다. 문제는 어떻게 이런 초신성이 존재할 수 있는지 알기 어렵다는 것입니다.
수소는 우주에서 가장 흔한 물질로 최후를 앞둔 별마저도 그 표면에는 상당량의 수소를 지니고 있습니다. 따라서 초신성 폭발에서 수소가 발견되지 않는다는 것은 뭔가 이상한 일이 아닐 수 없습니다.
노르웨이 카블리 우주 물리 및 수학 연구소 Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)를 비롯한 국제 과학자팀은 시뮬레이션과 관측 결과를 통해 이 미스터리 초신성의 비밀을 밝힐 단서를 찾았습니다.
연구팀에 의하면 이런 독특한 초신성은 폭발 직전의 마지막 순간에 수소가 풍부한 외곽층이 모두 날아간 별에 의해 생성됩니다. 거대 질량 별의 경우 수소를 연소시키면 그 다음은 헬륨, 탄소/산소 순으로 더 무거운 원소를 연소하면서 마지막 순간에는 마치 양파껍질 같은 구조를 지니게 되는데, 밀도가 큰 원소가 아래에 가라앉기 때문입니다.
가장 외곽에 있지만 여전히 가장 많은 양을 차지하는 수소가 거의 방출될 정도면 사실 이 별은 매우 극단적인 상황에 놓인 상태입니다. 초신성 폭발을 일으키기 몇 년전에는 주변으로 헬륨 가스를 방출할 정도가 되는데 이것이 SLSNe-I 초신성의 정체로 보입니다. 이 초신성은 폭발시 위의 개념도처럼 주변의 가스 디스크와 상호 작용을 하지만 그래도 수소는 거의 존재하지 않는 상태입니다.
수소가 없는 별은 우리의 상식을 뒤엎는 극단적인 형태의 별이라고 할 수 있습니다. 매우 드문 사례이긴 하지만 우주는 우리가 생각하는 것 이상으로 다양하고 복잡한 장소라는 사실을 다시 한 번 보여주는 것 같습니다.
참고
Elena Sorokina et al. TYPE I SUPERLUMINOUS SUPERNOVAE AS EXPLOSIONS INSIDE NON-HYDROGEN CIRCUMSTELLAR ENVELOPES, The Astrophysical Journal (2016). DOI: 10.3847/0004-637X/829/1/17
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