곽노필의 미래창
16만광년 거리 백색왜성
두개의 칼슘 껍질층 남겨

유럽우주남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT)으로 촬영한 초신성 잔해 SNR 0509-67.5. 수백년 전 이중 폭발로 폭발한 별의 잔해가 팽창하고 있는 모습이다. 이중폭발 증거를 확인한 건 처음이다. 파란색은 칼슘, 주황색은 수소를 나타낸다. 유럽우주남방천문대 제공

“한 번 죽지 두 번 죽나.”

필사의 각오를 다짐할 때 쓰는 이 말은 지구의 생명 세상에선 있을 수 없는 상황을 빗댄 반어적 표현이다. 하지만 별들이 명멸하는 우주에선 실제로 벌어지는 일인 모양이다.

천문학자들이 별이 두 번의 폭발을 일으켰음을 나타내는 ‘이중 폭발’의 증거를 포착했다. 태양보다 8배 이상 무겁거나 일정한 조건을 갖춘 별은 ‘초신성’이라는 엄청난 폭발을 일으키며 생을 마감하는데, 이에 비춰보면 이 별은 두 번 죽은 셈이다.

오스트레일리아의 캔버라 뉴사우스웨일스대 연구진이 중심이 된 국제 연구진은 유럽남방천문대(ESO) 초거대망원경(VLT)과 다중분광탐사기(MUSE)를 이용해 약 지구 관측 기준으로 400년 전에 폭발한 대마젤란은하의 초신성 ‘SNR 0509-67.5’의 잔해를 분석한 결과를 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다. 연구진은 분석 결과, 이 잔해에서 별이 두번 폭발했음을 보여주는 구조가 발견됐다고 밝혔다.

다중분광탐사기로 관측한 초신성 잔해의 2개 칼슘층. 유럽우주남방천문대 제공

지구 중금속의 주요 공급원

16만광년 떨어진 거리에 있는 이 별은 백색 왜성이다. 백색 왜성은 태양과 비슷한 질량을 가진 별이 핵융합 연료가 고갈된 이후 적색거성으로 부풀어 오른 뒤 생의 마지막 단계에 고밀도의 핵만 남은 상태를 가리킨다. 

백색 왜성이 일으키는 폭발은 Ia형 초신성이라고 부른다. 그러나 백색 왜성은 생을 마감할 때 스스로 초신성 폭발을 일으키지는 못한다. 자신의 중력을 이용해 주변의 동반별로부터 수소와 헬륨을 끌어와야만 죽음의 폭발을 일으킬 수 있다. 끌어들인 물질이 쌓여 자체 중력이 더는 견딜 수 없는 질량에 이르렀을 때 폭발이 일어나는데, 그 임계점은 태양 질량의 1.4배로 일정하다. 이를 찬드라세카르한계라고 한다. 이 초신성은 폭발시 최대 밝기가 똑같기 때문에 우주에서 거리를 측정하는 ‘표준 촉광’으로 쓰인다. 1990년대에 Ia형 초신성 관측을 통해 우주 팽창이 가속되고 있다는 사실을 발견한 과학자들은 2011년 노벨물리학상을 받았다.

초신성 폭발은 또 우리 몸속의 철분을 포함해 지구에 널리 분포하는 중금속의 주요 공급원이기도 하다. 과학자들은 우리 은하에 있는 철의 절반 이상이 1a형 초신성에서 생성된 것으로 본다. 지구 질량의 32%가 철이다.

쌍성계 동반별에서 물질을 대량으로 끌어오고 있는 백색 왜성을 묘사한 그림. 쌓이는 물질로 중력이 커져 한계점을 넘어서면 초신성 폭발이 일어난다. 미국항공우주국 제공

이중폭발, 어떻게 일어나나

과학자들은 그러나 단일 초신성 폭발 뿐 아니라 찬드라세카르한계 질량에 도달하기 전 이중 폭발 형태의 초신성 폭발 가능성에 대해서도 주목해 왔다. 단일 폭발만으론 지금의 초신성 수를 다 설명할 수 없었기 때문이다. 최근엔 이중 폭발이 초신성 잔해에 두 개의 분리된 칼슘 껍질을 만든다는 컴류터 시뮬레이션 결과도 나왔다.

뉴사우스웨일스대 연구진은 이번에 정확히 이 예측에 들어맞는 두개의 칼슘층을 초신성 잔해에서 발견하는 성과를 거뒀다. 원자번호 20번인 칼슘 역시 초신성 폭발로 생성돼 방출되는 원소 가운데 하나다. 연구진은 이것이 이 별에 이중폭발이 일어났다는 증거라고 밝혔다. 동반별에서 끌어온 헬륨이 겹겹이 쌓여 불안정해지며 첫번째 폭발한 뒤, 안쪽으로 뻗어나간 충격파가 별의 핵을 강하게 때려 두번째 폭발을 일으키면서 두개의 칼슘층이 형성됐다는 것이다. 연구진은 첫번째 폭발은 찬드라셰카르한계에 도달하기 전에 발생했으며, 두번째 폭발로 초신성이 완성됐다고 설명했다.

유럽우주남방천문대를 기준으로 본 이중폭발 초신성 잔해의 위치. 이 잔해는 16만광년 거리에 있는 우리 은하의 위성 은하 `대마젤란은하\'에 있다. 유럽우주남방천문대 제공

​ 순식간에 2차 폭발로 이어져

연구진의 일원인 독일 하이델베르그이론연구소의 이보 자이텐잘 연구원은 매셔블과의 인터뷰에서 “두번째 폭발은 아마도 2초 후에 일어났을 것으로 보인다”며 “이는 헬륨 폭발이 백색 왜성의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 이동하는 데 걸리는 시간과 거의 같다”고 말했다. 연구진은 또다른 시뮬레이션 결과, 동반별도 함께 연쇄적으로 폭발하는 사중 폭발 초신성도 가능한 것으로 나타났다고 밝혔다.

연구진은 “이번 발견은 일부 별은 찬드라세카르한계 질량 아래에서도 이중폭발 방식을 통한 초신성 폭발이 자연적으로 일어날 수 있다는 실질적 증거”라고 밝혔다.

​연구를 이끈 뉴사우스웨일스대의 프리얌 다스 박사과정 연구원은 “이번에 찾아낸 이중폭발 증거는 오랜 수수께끼를 풀어준 것은 물론 시각적으로도 아름다운 층상 구조를 선물해줬다”고 말했다.

*논문 정보

Calcium in a supernova remnant shows the fingerprint of a sub-Chandrasekhar mass explosion. Nature Astronomy(2025)

doi: 10.1038/s41550-025-02589-5

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr

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