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- 폭발하기 전 지난 130일 동안 죽어가는 별을 관찰한 다음 초신성과 그 여파 관찰
- 이 별은 은하 NGC 5731에서 약 1억 2천만 광년 떨어져 있고 태양보다 약 10배 무겁다.
- 적색 초거성이 폭발하기 전 약 5000켈빈이었고 반경이 태양의 1500배
- 마지막 며칠 동안 적색 초거성은 약 1047에르그의 복사 에너지를 방출

붉은 초거성 폭발
천문학자들이 처음으로 거대한 별에서 초신성으로의 전이를 관찰했다.

폭발적인 종말:
천문학자들은 처음으로 적색 초거성의 극적인 종말을 목격했다.
그들은 폭발하기 전 지난 130일 동안 죽어가는 별을 관찰한 다음 초신성과 그 여파를 보았다. 그들의 다중 스펙트럼 데이터는 거대 별이 종말 전에 비정상적으로 활동적이었고 반복적으로 강한 복사와 물질을 방출했음을 보여준다. 이것은 다른 초신성 전(前) 별에서는 알려지지 않았다. 

▲ 적색 초거성은 소멸하기 몇 달 전에 초신성에서 어떻게 행동할까? 천문학자들은 이제 이것을 처음으로 관찰했다. © W. M. Keck Observatory/ Adam Makarenko

무거운 별은 수명 주기가 끝나면 팽창하여 적색 거성이 된다.
핵융합이 점점 핵에서 외곽으로 이동하기 때문에 핵은 점점 더 압축되지만 껍질은 강한 방사선에 의해 바깥쪽으로 밀려난다. 이 불균형이 너무 커지면 폭발이 발생한다. 즉, 별의 핵이 붕괴되고 초신성이 생성된다.

초신성 전에 무슨 일이?

그러나 이러한 별 폭발이 우주에서 자주 일어나는 것처럼 고전적인 초신성 이전의 며칠, 몇 주, 몇 달 동안 일어나는 일은 지금까지 천문학자들에 의해 부분적으로만 관찰되었다. 따라서 캘리포니아 버클리 대학의 Wynn Jacobson-Galán과 그의 동료들은 "진화의 마지막 몇 년 동안의 거대한 별의 행동은 거의 완전히 암흑 상태에 있다"고 설명했다.

엄청난 행운 덕분에 팀은 이제 처음으로 적색 초거성의 지난 130일 동안 지속적으로 기록하는 데 성공했다. 이 별은 은하 NGC 5731에서 약 1억 2천만 광년 떨어져 있으며 우리 태양보다 약 10배 더 무겁다. 초거성은 초신성 이전에도 매우 밝았고 반복적으로 많은 양의 방사선을 방출했기 때문에 천문학자들은 하와이의 Pan-STARRS 망원경을 사용해 2020년 여름부터 거의 연속적으로 목표물을 목표로 삼았다. 

▲ Figure 1. PS1/YSE g-band explosion image of Type II SN 2020tlf in host galaxy NGC 5731. (출처: 관련논문 Final Moments. I. Precursor Emission, Envelope Inflation, and Enhanced Mass Loss Preceding the Luminous Type II Supernova 2020tlf)

지난 130일의 첫 번째 관찰

2020년 9월 6일 시간이 다가왔다. 적색 초거성이 중심 붕괴 초신성에서 폭발했다.
"처음으로 적색 초거성이 폭발하는 것을 목격했다!"고 Jacobson-Galán은 말했다. “그런 거대한 별의 활동은 II형 초신성으로 폭발하기 전에 추적된 적이 없다. 이것은 거대한 별이 죽기 전 마지막 순간에 무엇을 하는지에 대한 우리 지식에 진정한 돌파구다.”

전 세계의 여러 망원경이 별 폭발의 밝은 모습을 기록했다.
이를 통해 천문학자 팀은 다양한 파장 범위에서 SN 2020tlf 초신성의 광도 곡선과 스펙트럼을 자세히 분석할 수 있었다. 폭발 중과 폭발 후의 복사 방출은 이전 별과 그 행동에 대한 더 중요한 정보를 제공했다.

▲ 이것은 적색초거성이 폭발 후 초신성처럼 보일 수 있는 것이다. © W. M. Keck Observatory

죽어가는 별은 예외적으로 활동적이다.
데이터는 무엇보다도 적색 초거성이 폭발하기 전 약 5000켈빈이었고 반경이 태양의 1,500배였다는 것을 밝혀냈다. 초신성 이전의 마지막 며칠 동안 적색 초거성은 약 1047에르그의 복사 에너지를 방출했으며, 폭발의 특징은 여름에 분출된 물질이 죽어가는 별 주위에 비정상적으로 조밀한 껍질을 형성했음을 보여준다.

적색 초거성은 초신성 이전에 비정상적으로 활동적이었고 이전에는 관찰되지 않은 양의 방사선과 물질을 방출했다. 천문학자들은 "SN 2020tlf는 전형적인 광곡선과 II형 초신성의 스펙트럼 거동을 가진 최초의 항성 폭발로, 그 이전 항성에 대해 그러한 유출이 입증된 바 있다"고 보고했다. 죽어가는 초거성에서의 그러한 강렬한 활동은 이전에 본 적이 없었다.

▲ 그림 6. 완전한 폭발 전후 볼로메트릭 광 곡선(위), 흑체 온도(중간), 반경(아래). 표시된 데이터는 모든 다색 광학 측광의 SED 흑체 모델링에서 파생된다. (출처: 관련논문 Final Moments. I. Precursor Emission, Envelope Inflation, and Enhanced Mass Loss Preceding the Luminous Type II Supernova 2020tlf)

설명을 찾아라

연구팀에 따르면, 이것은 이 거대한 별들 중 적어도 일부가 생애의 마지막 단계에서 중대한 변화를 겪고 있음을 시사한다. Jacobson-Galán과 그의 팀은 "이에 대한 가능한 설명은 네온/산소 융합의 중력파 또는 핵의 실리콘 연소로 인한 섬광이 별의 껍질에 에너지 급증을 일으켰다는 것일 수 있다"고 말했다.

이 갑작스러운 에너지 급증은 적색 초거성의 껍질에서 항성 물질의 방출을 증가시켰다.
그러나 지금까지 이것은 가설일 뿐이다. 이것이 실제로 죽어가는 별의 비정상적인 광도와 활동을 설명하는지 여전히 열려 있다. Jacobson-Galán은 “이 발견으로 밝혀진 모든 새로운 낯선 사람들에 대해 흥분하고 있다.

"만약 우리가 앞으로 SN 2020tlf와 같은 사건을 더 많이 발견한다면, 이것은 별의 마지막 몇 달 동안의 우리의 그림을 극적으로 바꿀 수 있다"고 천문학자는 계속했다. "관측자들과 이론가들은 이제 거대한 별의 삶에서 마지막 순간의 수수께끼를 풀기 위해 협력하고 있다.”
(The Astrophysical Journal, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac3f3a)
출처: W. M. Keck Observatory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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