초신성
1. 개요
超新星 / Supernova
신성보다 더 많은 에너지를 내뿜는 별의 폭발을 칭한다. 빛나는 현상이 마치 새로운 별이 태어나는 것처럼 보이기에 신성이라는 명칭이 붙었지만,[2] 실제로는 수명이 다한 별이 폭발하며 엄청난 에너지를 내뿜는 것이다.
2. 상세
초신성이 발생할 시 나오는 에너지는 은하를 구성하는 별 수천억 개를 모두 합친 것과 맞먹는 밝기를 자랑하는데, 우리가 관측할 수 있는 이 밝기조차도 초신성이 내놓는 실제 에너지의 1%에 불과하다. 나머지 99%의 에너지는 물질과 거의 반응하지 않는 중성미자로 방출된다.
초신성이 지구-태양거리의 2배인 2AU 이내의 거리에서 폭발할 경우 중성미자 피폭만으로도 죽을 수 있을 정도의 에너지이다.# 태양의 표면에선 매초 손톱만한(1제곱센티미터) 면적에 7백억 개씩 뿜어져나오며, 그중 300만 개가 매초 인체를 지나가는데도 전혀 반응하지 않을 정도로 반응성이 떨어지는 게 중성미자이기 때문에 그 규모를 짐작케한다. 물론 2AU가 아니라 몇 광년 더 멀리 떨어져있어도 감마선과 X선으로 지구는 폭삭 익어버린다.
3. I형 초신성
I형 초신성의 스펙트럼에는 수소선이 나타나지 않는다. 처음에는 이러한 성질을 가지고 I형과 II형을 분류했으며, 오늘날엔 기타 세부적인 특징과 생성 과정에 따라서 아래와 같이 3가지의 부수 유형이 알려져 있다.
위에 있는 문자는 I(아이)가 아니라 로마 숫자 1이다. 그러니까 “1(일)형 초신성”이라고 읽으면 된다.
3.1. Ia형 초신성
Ia형 초신성은 동반성을 가진 백색왜성이 동반성의 물질을 털어먹다가 찬드라세카르 한계(태양 질량의 1.44배)를 넘게 되면 발생한다. 이 때 전자 축퇴압에 의해 유지되던 항성의 중심핵이 자신의 중력을 더이상 버티지 못하고 붕괴하는데, 이때 엄청난 열이 발생하여 열핵 반응을 일으킨다. Ia 초신성은 II형 초신성보다 훨씬 강력한 폭발을 일으키며, 모든 Ia형 초신성은 같은 임계질량에서 폭발하기 때문에 밝기가 일정하므로 지구와의 거리가 어느 정도인지 쉽게 알 수 있다. 참고로 이렇게 밝기를 알아낼 수 있는 천체를 천문학에서는 표준 촉광(Standard Candle)이라고 부르며 그 천체가 있는 곳까지 이르는 거리를 밝히는 결정적인 단서가 된다. 세페이드 변광성을 이용한 거리 측정이 대략 1억 광년 이내에 있는 은하에 대해서 가능한 반면, 초신성을 이용한 방법은 130억 광년이 넘는 우주론적 거리에도 적용될 수 있다. 현재 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실도 la형 초신성을 이용한 연구로부터 얻은 관측 결과다.
Ia형 초신성이 폭발하려면 백색왜성이 물질을 공급받아야 하는데, 밀도가 아주 큰 수소 성간 구름이 있는 곳을 지날 때나 동반성이 옆에 바로 있어 동반성으로 물질을 공급받을 때, 백색왜성과 다른 백색왜성의 거리가 가까워져서 서로 합쳐졌는데 이게 태양 질량의 1.44배를 넘는 상황에서 발생한다.
찬드라세카르 한계를 넘는 순간 전자축퇴압은 더이상 중력붕괴하는 백색왜성을 지탱하지 못한다. 스스로의 중력으로 수축하며 백색왜성의 온도는 탄소 핵융합을 할 수 있는 정도까지 올라간다. 결국 백색왜성은 폭주하는 핵융합으로 스스로를 날려버린다. 이때 칼슘, 규소 등을 많이 방출하고 내부에서는 철도 대량으로 뿌린다. 극 내부의 일부는 철보다 더 무거운 원소들도 생산되어 뿌리므로 우주의 중원소 비율에 상당 부분 기여한다. Ia형 초신성 폭발 뒤 백색왜성은 팽창한 가스 외에 아무런 잔해도 남기지 않는다. 별 전체가 열핵 반응으로 폭발하므로 방사선도 엄청나게 방출하는데, Ia 초신성 폭발로부터 20광년 이내에 지구가 있다면 오존층의 85%가 망가지고, 결국 생명체의 대부분이 전멸할 것이다.
Ia형 초신성 폭발로 인해 내뿜는 원소들의 비율은 그 전의 백색왜성이 탄소-산소 백색왜성이었다면 탄소~질소를 26%, 산소를 50% 이상(50.3%) 내뿜어내며, 네온 6.54%, 나트륨(소듐)부터 칼륨(포타슘)을 거쳐 티타늄에 이르기까지 11.8%를 내뿜고 철을 5.1%, 기타 철족 원소(바나듐, 크로뮴, 망가니즈, 코발트, 니켈) 0.25%이며 구리 이상 무거운 원소들의 비율은 0.01%이다.
Ia형 초신성 폭발은 폭발하면서 최대 광도가 나타날 때는 산소와 칼슘 등이 방출되면서 나타나는 산소와 칼슘 선 등을 주로 보이며 이후에는 점차 무거운 원소선이 나타나는데 특히 후반에는 56Ni이 56Co를 거쳐 56Fe로 붕괴되는 방사성 붕괴의 선이 주력으로 나타나게 된다.
백색왜성은 태양보다 더 작은 별은 물론이고 중원소 함량에 따라 최대 태양 질량의 14배에 달하는 별도 백색왜성이 될 수 있으므로 우리 은하에만 240억 개 존재할 정도로 우주에 매우 흔하다. 이렇게 흔한 백색왜성들이 주위의 동반성이나 기타 밀도 높은 성간 구름으로부터 물질을 공급받아 태양 질량의 1.44배를 넘기기만 하면 Ia형 초신성 폭발이 일어나므로 우주에서는 Ia 초신성 폭발이 상당히 자주 일어난다.
3.1.1. Iax형 초신성
Ia형 초신성의 위력이 부족해 백색왜성이 완전히 파괴되지 않는 것으로 좀비별이 탄생한다.
3.2. Ib/Ic형 초신성
Ib형 초신성 및 Ic형 초신성은 볼프–레이에별 또는 근접 쌍성계의 적색 초거성이 일으키는 초신성 폭발이다. 수소 흡수선이 관측되지 않는 초신성이다.
볼프–레이에별은 태양 질량의 40배 이상이며 높은 금속을 포함한 별들의 주계열성 이후 진화 단계로, 자신의 빠른 항성풍에 의해 껍질층을 모두 날려버린 별이다. 따라서 뜨거운 내부가 그대로 노출된 별이라고 볼 수 있다. 볼프-레이에별은 시간이 지날수록 점점 더 많은 물질을 방출하는데, 초신성 폭발 직전의 볼프-레이에별의 외포층의 구성 원소에 따라 Ib형 및 Ic형 초신성이 결정된다. Ib 초신성은 헬륨 대기를 가진 볼프-레이에별이 일으키는 초신성이며, Ic형 초신성은 탄소 껍질을 가진 볼프-레이에별의 초신성이라고 생각된다. 볼프-레이에별에 대한 더욱 자세한 설명은 문서 참조.
학계 일부에서는 서로의 외부 대기를 주고받을 수 있는 근접 쌍성계에서 한쪽 별에 수소 껍질을 빼앗긴 별들이 Ib형 초신성을 일으킬 수 있다는 의견이 제기되었으나 아직까지 동반성에게 수소 껍질을 뺏긴 헬륨성이 관측되지 않았기 때문에 이 모델의 입증에 어려움이 있다.
4. II형 초신성
태양 질량의 12배[3]~40배 사이의 별들 중 태양과 중원소 함량[4]이 비슷한 별들은 중성자별을 형성한 후 물질들을 흡수하여 블랙홀로 진화한다. 중원소 함량이 매우 높은 별들은 높은 질량에도 불구하고 초신성 폭발 후 중성자별을 남긴다.
태양 질량의 12배 이상의 별들은 규소를 융합할 능력이 되기 때문에 규소 핵융합[5]을 통해 철을 생성한다. 그런데 이전의 원소들[6]과 다르게 철은 별의 내부 온도와 압력을 통해 융합할 수 없으므로 별의 중심부에는 철이 축적된다. 철핵의 질량이 태양의 1.44배 이상 커지면 중심핵의 철을 구성하던 양성자가 전자를 흡수하는 전자 포획이 일어나[7] 철의 모든 핵자가 중성자로 변한다. 이때 별의 중력붕괴는 중성자 축퇴압이라는 반발력에 의해 급작스럽게 멈추며 이로 인해 중심핵과 핵으로 쏟아져내리던 외부 층이 차례대로 충돌하면서 강력한 충격파가 발생된다.[8]
강력한 충격파는 매우 빠른 속도로 별의 바깥쪽을 향해 나아가며 중간에 있는 물질을 초고온의 상태로 가열시킨다. 이때 온도는 별의 질량에 따라 다르지만 최소 1천억 K에서 1조 K이나 된다. 외부 구조를 이루던 철 이하의 원소들의 급격한 핵반응이 시작되어 별 전체가 동시에 핵반응을 일으키게 되며 그 결과로 엄청난 에너지가 발생한다. 그와 동시에 별을 관통하는 충격파가 표면에 도달하여 별을 산산조각내버리고 내부에 쌓여있던 막대한 에너지가 한꺼번에 우주로 방출되어 엄청난 폭발을 일으킨다. 어느 정도로 엄청나냐 하면 초신성 한 개의 밝기가 그 초신성이 속한 은하 전체의 밝기와 비슷해질 지경에 이른다. 참고로 우리 은하의 밝기는 약 태양의 천억 배 정도이다.
5. 의사 초신성
Supernova imposter 라고 부르는 현상이며 '의사 초신성' 또는 '초신성 위장 현상' 또는 'V형 초신성'이라고도 부른다.
일반적인 신성보다는 훨씬 밝은 폭발이기에 초신성으로 여겨지나, 실제로는 별이 파괴되진 않은 경우를 의미한다. 머지 않은 시간[9]이 경과하면 진짜 별이 폭발하는 초신성이 발생할 것으로 예상한다.
청색 밝은변광성[10]으로 분류하기도 하며, 용골자리 에타가 이에 속한다.
6. 감마선 폭발
감마선 폭발 문서도 참조.
우주에서 가장 강력한 폭발로 알려져 있다. 영어로는 감마 레이 버스트(Gamma ray burst)라고 하며 100초 이상 지속되는 긴 폭발과 2초 이내에 끝나는 짧은 폭발이 있다. 발생원인에 대해서는 여러 설이 있다.
- 중성자별 두 개가 충돌하는 경우.
- 중성자별과 블랙홀이 충돌하는 경우.
- 마그네타에서 성진이 일어나는 경우. 자세한 건 중성자별의 마그네타 문단 참조.
- 붕괴성(collapsar) 형성. 극초신성 폭발은 태양 질량의 40배 이상인 별의 중심핵이 별이 중력 붕괴를 일으키기 전에 블랙홀로 진화해 버려 별 내부에 생성된 항성질량 블랙홀이 별을 먹어치우며 발생한 제트가 별을 찢어버리며 발생한다. 극초신성을 일으키는 원형 별은 질량이 매우 커 중심핵은 매우 높은 각운동량을 지닐 것으로 예상되므로 생성된 블랙홀은 매우 빠른 회전속도를 가질 것으로 예상된다. 항성 내부에 중성자별과 블랙홀이 형성되는 모델를 통틀어 붕괴성이라 하는데, 붕괴성의 자기축 방향의 강력한 제트는 별을 찢고 강력한 감마선을 복사한다. 이 제트가 지구를 향할 경우 그것이 감마선 폭발로 관측될 수 있다.
서기 774년이나 775년에 감마선 폭발이 지구를 덮쳤다는 주장이 나왔다. 일본 학자들이 고대 백향목과 남극의 얼음을 조사한 결과 탄소 14와 베릴륨 10의 농도가 비정상적으로 높았고, 독일 과학자들이 그 원인으로 2개의 중성자별이 충돌해서 일어나는 감마선 폭발을 지목한 것이다.
7. 쌍불안정형 초신성
쌍불안정형 초신성(Pair-instability supernova)은 별 내부에서 원자핵과 감마선 사이 충돌 과정에서 형성된 양전자와 전자로 인해 핵 내부의 열적 압력을 감소시킴으로써 발생하는 초신성 현상이다.
이러한 현상이 발생하려면 별이 충분히 무거워야 한다.
- 먼저 별의 질량이 태양의 100배 미만이면 내부에서 발생하는 쌍생성이 충분하지 않아서 쌍불안정형 초신성 현상이 일어나지 않는다.
- 100~130배일 경우 쌍생성이 일어나기에 충분하지만, 문제는 쌍생성이 충분히 일어나도 그것이 핵 내부의 열적 압력을 감소시키기에는 충분하지가 않게 된다. 대신, 수축을 이겨내고 다시 별을 평형상태로 돌려놓는 맥동 현상이 일어나며, 이 과정에서 질량이 상당히 방출되어 오랫동안 겪게 되면 결국 100배 미만이 된다.
- 130~250배일 경우, 드디어 쌍불안정형 초신성이 발생할 수 있다. 이 경우 쌍생성이 대량으로 발생해 질량 자체에서 발생하는 중력과 평형을 이루던 열적 압력이 상당히 감소하고, 결국 별은 수축한 끝에 대폭발을 일으킨다. 폭발 시 남는 잔해는 아무것도 없다. 말 그대로 별 전체가 통째로 대폭발을 일으키게 되며, 중성자별이나 블랙홀 같은 잔해가 단 하나도 없는 깨끗한 폭발이 된다.
- 250배 이상일 경우 처음에는 쌍불안정형 초신성의 양상으로 가다가 광붕괴라는 현상이 발생해, 별이 더 빨리 수축해 항성질량 블랙홀을 잔해로서 남기게 된다.
8. 폭발 이후
초신성의 잔해는 거대한 가스구름이 되는 것이 일반적이다.
초신성이 폭발하고 나면 뒤에 남는 핵은 일반적으로 그 질량에 따라 작으면 중성자별, 크면 블랙홀로 변하게 된다.[11] 하지만 질량도 중요하지만 질량보다 더 중요한 것은 별이 처음 탄생했을 당시 별이 가지고 있었던 중원소의 양에 따라 다르다. 항성이 처음 태어났을 때 자신이 가지고 있던 내부의 중원소의 양은 별이 초신성 폭발을 했을 시 어떻게 되느냐에 절대적이기 때문이다.(자세한 것은 항성 문서를 참고하자.)
초신성이 폭발하면 당연히 그 일대는 쑥대밭이 된다. 가장 큰 피해를 일으키는 것은 고에너지 감마선. 초신성의 폭발로 인해 피해를 보는 범위(생명체 괴멸)가 어느 정도이냐에 따라서는 천문학자들에 따라 의견이 분분하나, 약한 보통의 II형 초신성의 경우 7광년 정도, 강력한 I형의 경우 20-300광년에 이른다고 한다. 다행인 것은 지구 주변에는 이런 초신성 후보가 없다.
별이 너무 무거울 경우, 별의 핵조차 남기지 않고 모조리 파괴되는 경우도 있다. 백색왜성이 폭발하는 Ia형 초신성의 경우 이렇게 폭발한다.
9. 관측된 초신성
우리 은하에서 폭발한 초신성 중에 최초로 기록된 것은 185년에 관측된 것으로, 중국인들에 의해 관측되고 기록되었다. 1054년 7월 4일의 초신성은 지금의 황소자리 게 성운을 형성한 것으로 유명하다. 최대 밝기 -6등성으로, 퍼진 자취를 거슬러 보면, 지금으로부터 약 900년 전에 관측되었고, 중국 송나라, 일본의 기록에서 보이며, 아랍의 기록에서는 23일간 낮에도 보일 정도로 밝았으며, 653일간 밤하늘에 보인다고 기록되었다.
우리 은하에서 폭발한 마지막 초신성은 1604년에 관측되었다.[12] 유럽, 중국, 한국, 아랍 등의 기록에서 찾아볼 수 있으며, 케플러가 자세히 연구했으므로 '케플러의 초신성'이라고 부르기도 한다. 선조실록에도 이 초신성을 관측한 기록이 130회가량 남아 있으며 이 기록은 이 초신성이 Ia형 초신성임을 알아내는 데 상당한 공헌을 했다.[13]
육안 관측 가능한 초신성은 1987년에 대마젤란 성운에서 관측된 초신성 1987A로 안시등급은 2.9인 별 정도로 보였다. 지구 근처에서 터지는 게 아니라면, 우리은하의 초신성 폭발을 육안으로 보는 건 꽤 행운이라 할 수 있겠다. 한편, 외부은하에서도 초신성이 폭발하는데, 한 달에도 몇 건씩 관측 된다.
지구와 근접한 초신성 후보로는 페가수스자리 IK, 베텔게우스와 안타레스가 있으나[14], 충분히 멀리 떨어져 있으니 큰 영향은 없을 것이다. 조만간 폭발할 후보로 용골자리 에타가 있으나, 거리가 더 멀고 자전축이 지구와 어긋나 있어 직접적 피해는 없을 가능성이 높다. 참고로 용골자리 에타는 극초신성 후보이다.
다만 백조자리에 위치한 알비레오[15]가 다소 불안한데 이 별은 400만 년 정도가 지나면 태양계에 80광년 정도까지 접근할 것으로 예상된다. 그리고 만약 이 정도 거리에서 알비레오가 II형 초신성 폭발을 일으킨다면 지구에 충분히 영향을 줄 수 있기 때문이다.
그리고 진짜로 해가 없는지 검증할 기회가 생겼는지도 모른다. 2012년에 베텔게우스가 폭발한다는 주장이 제기되었다! 다만 이는 기사에서 약간의 오해가 있었던 것으로, 원래의 설명은 2012년에라도 폭발할 수 있다는 것뿐이었다. 현재의 과학기술로는 1년 이내에 초신성이 될 별을 가려낼 수 있는 특별한 방법이 없다.[16] 베텔게우스 폭발 시뮬레이션
초신성의 후보가 되려면 매우 무거운 별이어야만 하고, 이런 무거운 별은 우주에서도 드문 편이기 때문에 초신성의 폭발에 직접 노출된다는 것도 확률이 그리 높은 것은 아니다.[17] 우리 은하에서 초신성 폭발의 후보가 될 만한 별의 개수는 대략 1만 3천개 정도로 추정되지만, 우리 은하의 별이 4천억 개이므로 단순 확률로는 3천만분의 1이다. 즉 매우 희귀하다.
약 150만 년 전과 230만 년 전후 태양계 근처에서 폭발한 1개 또는 그 이상의 초신성들이 최근 해양지각의 철60 동위원소 분석을 통해 관측되었다. 원본 한글 250만년 전 지구 근처에서 폭발한 초신성 폭발도 있다.#
2013년에 관측한 신호 중 하나가 폭발한 지 '''3시간''' 만에 발견된 초신성이었다고 한다. #
9.1. 초신성 1987A
초신성 SN 1987A는 청색초거성이 초신성 폭발을 일으킨 것이다. II형 초신성이므로 처음으로 청색초거성이 초신성을 일으킨 관측상 최초의 기록이기도 했다. 이 말 즉슨 청색초거성은 초신성 폭발을 일으키는 게 불가능 하다는 편견이 깨진 것이다.
9.2. ASASSN-15lh
문서 참고.
10. 기타
폭발 과정에서 생겨나는 엄청나게 높은 온도는 안정된 별에서는 일어날 수 없는 다양한 핵반응을 일으키며, 이 과정에서 우리가 아는 대부분의 원소가 만들어지게 된다. 즉 철보다 무거운 원소는 모두 초신성이 만들어낸 원소이고, 따라서 인간을 포함한 생명체는 초신성이 없었다면 생길 수 없었다는 논리가 종종 등장하곤 한다.
초신성 폭발은 우라늄 뿐 아니라 플루토늄이나 캘리포늄 등 무거운 원소까지도 빠르게 합성한다. 그러나 우라늄보다 무거운 원소들은 반감기가 지구 나이에 비해 월등히 짧기에 거의 남아있지 않다. 초신성을 통한 핵합성의 한계는 원자량 270~280 정도일 것으로 예상된다. 이 범위에는 자발적 핵분열을 하는 동위원소가 흔하기 때문. 그러나 이를 넘어 안정성의 섬까지 도달할 가능성이 있을 것으로 보는 예측도 있다. 참고로 페르뮴 동위원소는 초신성 폭발 핵합성을 방해하지 못한다. 이를 우회할 수 있을 정도로 중성자 밀도가 높기 때문.
초신성의 최고 절대등급은 유형에 따라 일정하고 그 굉장한 밝기로 인해, 외부은하까지 거리를 측정할 수 있는 기회가 되기도 한다.(#)
서울대 윤성철 교수의 초신성 오디오강의 PLAY
R136A1은 중원소 함량이 태양의 35%이며, 태어날 때 이미 에딩턴 한계의 40% 이상이었다.(325 태양질량) 항성이 태어날 때 별을 만드는 재료인 성간물질의 밀도가 높고 별은 더 커질 수 있다. 이 별은 $${10}^{24}$$ 테라톤급의 초신성을 맞이할 것으로 보인다.
[1] 쿠르츠게작트의 영상. 조금 더 정확히는 중성자별을 만들어내는 '''II형 초신성'''에 대한 설명이다.[2] Nova라는 단어에 '새로운'이라는 뜻이 있다. 중국에서는 마치 손님이 찾아온 것처럼 새로운 별이 나타났다고 손님 객 자를 써서 객성(客星)이라고 기록했는데, 가장 오래된 기록은 한서에 남아 있다. 한국에서는 중국의 용어 객성을 그대로 사용했다. 초신성이라는 용어는 일본에서 Supernova를 번역한 것.[3] 9배 혹은 그 이하로 보는 견해도 있다.[4] 문서 여기저기서 쓰이는 금속 함량과 같은 말이다.[5] 지속시간은 하루 정도이다.[6] 수소, 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소 등등[7] 전자포획은 전자를 흡수함과 동시에 전자 중성미자를 방출하는 반응이므로 초신성 폭발 직전에 대량의 전자 중성미자가 별을 빠져나간다.[8] 비슷한 원리를 집에서도 실험해 볼 수 있다. 농구공, 축구공, 야구공, 탁구공 등 큰 공 위에 작은 공들을 크기 순으로 포갠 후 떨어뜨리면 맨 아래에 있는 농구공이 되튀는 탄성이 연쇄적으로 전달되어 맨 위의 탁구공은 어마어마한 속도로 튕겨져 나간다.[9] 단, 천문학에서는 몇만년도 '짧은 시간'이다.[10] '밝은 청색변광성' 라고도 한다.[11] 중성자의 축퇴압은 태양 질량의 3배 정도이다. 즉 핵의 질량이 태양 질량의 3배가 넘어가면 블랙홀로 붕괴한다.[12] 사실 1604년 이후로도 최소 두 차례의 초신성 폭발이 더 있었지만(잔해로 증명되었다) 그리 밝지 않아서 눈에 잘 띄지 않아 기록되지 않았다.[13] 여담으로 당시 조선에서는 이 초신성 폭발을 하늘의 경고라고 여겨 몹시 불길하게 여겼다고 한다.[14] 사실 모든 적색초거성이 초신성 후보라고 보면 된다.[15] 쌍성으로 유명한데 유독 두 별의 색 차이가 뚜렷하기 때문이다.[16] 엄밀히 말하자면 초신성의 폭발이 그 즈음에 관측된다는 얘기다. 즉, 100광년 떨어진 곳에 있는 초신성이 폭발한 게 지구에서 관측되면 관측시점에서 그 초신성은 이미 100년 전에 폭발했고 100년 만에 폭발하는 모습이 지구까지 도달한 것이다.[17] 태양은 초신성 폭발을 일으키기에는 질량이 터무니없이 작은 별이지만 사실 태양만 해도 제법 큰 별에 속한다. 우리은하의 있는 별의 대다수는 적색왜성이기 때문이다. 태양이 어두운 별이라는 이야기는 관측 기술이 부족했던 시절에 생겨난 오해이다.