우주 이야기 1210 - 초신성 폭발에서 살아남은 동반성을 포착한 허블 우주 망원경

 

(This artist's illustration shows supernova 2013ge, with its companion star at lower right. The companion star is impacted by the blast wave from the supernova, but not destroyed. Over time astronomers observed the ultraviolet (UV) light of the supernova fading, revealing a nearby second source of UV light that maintained brightness. The theory is that the two massive stars evolved together as a binary pair, and that the current survivor siphoned off its partner's outer hydrogen gas shell before it exploded. Eventually, the companion star will also go supernova.  Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI))

(This infographic shows the evolution astronomers propose for supernova (SN) 2013ge. Panels 1-3 show what has already occurred, and panels 4-6 show what may take place in the future. 1) A binary pair of massive stars orbit one another. 2) One star ages into its red giant stage, getting a puffy outer envelope of hydrogen that its companion star siphons off with gravity. Astronomers propose this is why Hubble found no trace of hydrogen in the supernova debris. 3) The stripped-envelope star goes supernova (SN 2013ge), jostling but not destroying its companion star. After the supernova, the dense core of the former massive star remains either as neutron star or black hole. 4) Eventually the companion star also ages into a red giant, maintaining its outer envelope, some of which came from its companion. 5) The companion star also undergoes a supernova. 6) If the stars were close enough to each other not to be flung from their orbits by the supernova blast wave, the remnant cores will continue to orbit one another and eventually merge, creating gravitational waves in the process. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI))

(Credit: SCIENCE: Ori Fox (STScI))

 허블 우주 망원경이 초신성 폭발에서 살아남은 동반성의 증거를 찾아냈습니다. 우주에 있는 많은 별들은 두 개의 별이 서로의 주변을 공전하는 쌍성계로 초신성 폭발을 일으킬 수 있는 태양 질량의 8배가 넘는 무거운 별도 예외가 아닙니다.  

 두 개의 무거운 별 가운데 더 무거운 별이 빠르게 핵연료를 소진하고 초신성 폭발 단계에 이르면 동반성은 너무 가까이 있는 경우가 아닌 이상 대부분 폭발에서 생존합니다. 위치에 따라서는 동반성의 잔해에서 더 많은 물질을 흡수해 더 강력한 초신성 폭발을 일으킬 수도 있습니다. 

 일부 거성 쌍성계는 초신성 폭발 과정에서 반대로 상당한 표면 물질을 잃는 것으로 생각됩니다. 왜냐하면 일부 초신성 가운데는 아예 수소의 존재를 찾아볼 수 없기 때문입니다.

 큰 질량을 지닌 별은 마지막 단계에 내부에 여러 가지 원소가 양파처럼 여러 층으로 이루어진 형태를 지니게 됩니다. 그러나 여전히 가장 많은 비중을 차지하는 것은 가장 가벼운 수소층 입니다. 가장 표층의 수소가 다 사라진 이유는 아마도 적당한 거리에 있는 동반성이 거성 단계로 진행해 크기 부풀어 오른 별의 표층 가스를 흡수했기 때문으로 생각되나 정확한 증거는 확보할 수 없었습니다. 

 우주 망원경 연구소의 오리 폭스 (Ori Fox of the Space Telescope Science Institute)가 이끄는 연구팀은 허블 우주 망원경이 포착한 초신성 중 하나인  (SN) 2013ge의 데이터를 분석했습니다. 2016-2020년 사이 이 초신성의 밝기는 계속 감소했으나 새로운 자외선 방출원 덕분에 밝기를 유지했습니다. 

 이런 밝기 유지는 초신성 자체로는 설명되지 않는 것으로 살아남은 동반성에 의한 것으로 추정할 수 있습니다. 더구나 자외선 영역에서의 피크도 두 번으로 한 번은 초신성 폭발, 다른 한 번은 파괴되지 않은 동반성의 밝기 증가로 여겨집니다. 

 이렇게 적당한 거리에 있는 동반성은 초신성 폭발에도 생존해 질량을 어느 정도 유지한 후 미래에 새로운 거성으로 발전해 초신성 폭발을 일으킬 수 있습니다. 이 경우 이전 초신성의 흔적인 블랙홀이나 중성자별이 반대로 표면 물질을 흡수해 동반성의 수소를 없앨 수도 있습니다.

 마지막 단계에서 남는 것은 두 개의 블랙홀 혹은 중성자별로 결국에는 중력파를 방출하면서 하나로 합쳐질 수 있습니다. 이 모든 과정은 인간에 생에 동안 관측하기에는 너무 긴 시간 일어나는 일이지만, 과학자들인 각 단계에 있는 별들을 관측해 전체적으로 어떤 일이 일어나는지 재구성할 수 있습니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2022-05-hubble-reveals-surviving-companion-star.html

Ori D. Fox et al, The Candidate Progenitor Companion Star of the Type Ib/c SN 2013ge, The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac5890