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우주 이야기 1598 - 조용히 블랙홀로 사라지는 실패한 초신성



 

(An illustration of a star that collapsed, forming a black hole. The black hole is at the center, unseen. Surrounding it is a dust shell moving away from the black hole and gas being pulled toward it. Credit: Keith Miller, Caltech/IPAC—SELab)

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태양보다 8배 이상 무거운 별은 초신성으로 최후를 맞이합니다. 태양 같은 별에서는 산소와 탄소 정도까지 핵융합 반응이 진행되지만, 더 무거운 별은 철까지 핵융합 반응이 진행될 수 있습니다. 하지만 중심부에서 철까지 생성하고 나면 이후에는 핵융합으로 더 에너지를 만들어낼 수 없어 결국 강한 중력을 이겨낼 에너지를 만들 수 없게 되고 중심부로 붕괴하게 되는 것입니다.

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하지만 여기에도 여러가지 변형이 있습니다. 그리고 일부 별은 초신성 폭발을 하려다가 마는 경우도 생기게 됩니다. 사이먼스 재단 플랫아이언 연구소의 키샬레이 데 (Kishalay De, an associate research scientist at the Simons Foundation's Flatiron Institute)와 동료들은 나사의 NEOWISE 프로젝트에 의해 발견되고 지상 망원경에 의해 상세히 관측된 실패한 초신성인 M31-2014-DS1의 비밀을 파헤쳤습니다.

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M31-2014-DS1는 지구에서 250만 광년이나 떨어진 안드로메다 은하에 위치한 별입니다. 태양보다 상당히 무거운 거성인데, 과학자들은 이 별이 갑자기 어두워지면서 사라지다시피 했다는 사실을 알아냈습니다. 관측 결과 M31-2014-DS1는 2014년부터 적외선 영역에서 밝아지기 시작했습니다. 그러다가 2016년에는 불과 1년 만에 원래 밝기보다 훨씬 어두워졌습니다.

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하지만 더 놀라운 일은 2022년과 2023년 관측 결과, 이 별이 가시광선과 근적외선 영역에서 거의 사라져 밝기가 만분의 일 수준으로 떨어졌다는 점입니다. 현재 그 잔해는 중적외선 영역에서만 관측 가능하며, 그마저도 밝기는 이전의 10분의 1에 불과합니다.

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보통 큰 별이 초신성으로 최후를 맞이하게 되면 은하계 전체와 맞먹을 정도로 밝아집니다. 반면 M31-2014-DS1는 큰 질량을 지닌 별이고 한때 안드로메다에서 가장 밝은 별이었음에도 불구하고 사실상 갑자기 사라진 셈입니다. 연구팀은 이 별이 폭발하려다가 블랙홀이 된 실패한 초신성이라고 보고 이것이 가능한 이유를 연구를 통해 밝혀냈습니다.

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연구팀에 따르면 조용히 실패해서 사라진 초신성의 주요 이유는 바로 대류현상입니다. 붕괴가 시작될 때 중심핵은 빠르게 블랙홀로 들어가지만, 별의 외곽 가스는 여전히 대류 때문에 빠르게 움직이는 상태에 있습니다.

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이 대류 때문에 운동 중인 가스는 블랙홀로 곧장 떨어지는 대신, 흐름과 각운동량(angular momentum) 때문에 블랙홀 주변을 회전하거나 궤도를 돌게 됩니다. 이 때문에 대부분의 외곽 물질이 한꺼번에 블랙홀로 빨려 들어가지 않습니다. 이로 인해 별 전체가 한 번에 폭발하는 전형적인 초신성이 아니라, 잦은 유동과 느린 물질 방출을 보이게 됩니다.

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한편 별의 마지막 순간 밖으로 나간 물질은 점점 식으면서 먼지를 만들고, 이 먼지는 더운 영역에서 나오는 빛을 흡수하여 적외선으로 재방출합니다. 그래서 과학자들이 밝지만 금방 사라지는 초신성 대신 이 은은한 붉은 적외선 빛을 오랜 시간에서 관측할 수 있었던 것입니다.

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연구팀은 M31-2014-DS1의 관측 자료를 분석하는 과정에서 10년 전에 유사한 별로 분류되었던 NGC 6946-BH1도 재평가했습니다. 연구팀은 M31-2014-DS1이 처음에는 "특이한 별"로 여겨졌지만, 이제는 NGC 6946-BH1을 포함한 여러 천체들을 아우르는 하나의 범주에 속하는 것으로 보인다고 언급했습니다.

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무거운 별의 최후가 항상 격렬한 초신성 폭발이 아니라 우리의 눈에 잘 띄지 않을 뿐이지 조용히 블랙홀로 퇴장하는 경우도 생각보다 많이 있을지 모릅니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-02-supernova-clearest-view-star-collapsing.html

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Kishalay De, Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adt4853. www.science.org/doi/10.1126/science.adt4853

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