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* 수소없는 폭발, 너무 크고 차갑고 노랗다.
* 이전 별의 폭발, 이중성계 어느 것도 이론에 맞지 않다.
* 물리적으로 설명할 수 있는 한계 벗어나

신비로운 초신성, 설명할 수 없는 폭발 

설명할 수 없는 폭발 :
천문학자들이 현재 모델로는 과정과 원인을 설명할 수 없는 초신성을 발견했다.
2.6년 전에 허블 망원경으로 관측한 이전 별은 희귀한 Typ-Ib-초신성과 일치하지 않기 때문이다. 이 폭발은 별이 이전에 수소를 모두 잃었을 때만 발생한다. 그러나 관찰된 이전 별은 너무 크고 차갑고 노랗다. 

▲ 차가운 노란색 초거성이 어떻게 Ib 형 초신성을 유발할 수 있을까? 현재 모델에 따르면 이것은 거의 불가능하다. 즉 설명할 수 없는 현상이다 © Kavli IPMU / Aya Tsuboi

일반적으로 수명주기가 끝날 때 거대한 별은 적색 거성이 되어 핵붕괴 초신성에서 폭발한다. 백색 왜성이 동반성에서 물질을 빨아들여 특정 질량을 초과하면 폭발하는 Ia 형 초신성도 이중성계의 전형이다. 두 가지 유형의 초신성은 끝까지도 이전 별의 껍질에 여전히 수소가 있다는 공통점이 있다.

수소 없는 초신성

2019년에 발견된 2019yvr 초신성은 달랐다.
방출되는 빛을 스펙트럼 분석한 결과, 3천 5백만 광년 떨어진 나선 은하에서 이 별 폭발에 극히 적은 수소가 관여한다는 사실이 밝혀졌다. 초신성이 발생한 지 150일이 지난 후 처음으로 폭발의 충격파가 수소 구름을 강타했는데 이것은 이전 별이 수십 년 전에 폭발했어야 했다.

언뜻 보기에 이 별의 폭발은 희귀한 Ib 형 초신성과 완벽하게 일치했다.
여기에서 거대한 전임별은 최종 붕괴 전에 모든 수소 함유 껍질을 우주로 던진다. 결과적으로 폭발 직전에 “일반”적색 거성보다 부풀어 오르지 않고 훨씬 더 뜨겁다. 그러한 Ib 형 초신성의 전임별들은 푸르스름하게 빛나고 1만도 이상 뜨겁다.

하지만 Supernova 2019yvr에서는 어땠을까?
우연의 일치로 일리노이주 노스웨스턴 대학의 찰스 킬패트릭(Charles Kilpatrick)이 이끄는 팀이 이 폭발 이전의 별을 추적하는 데 성공했다. 허블 우주 망원경의 기록 보관소에서 그들은 이 하늘 지역에 대한 2.6년된 깊은 우주(Deep space) 이미지를 발견했다.

이 사진에서 밝은 점은 후기 초신성인 전임별의 위치에서 정확히 볼 수 있었다.

이전 별이 폭발과 일치하지 않아

유일한 이상한 점은이 별이 Ib 형 초신성의 선구자 모델과 완전히 다르다는 것이다. 뜨겁고, 콤팩트하며, 파란색이 아니라 약 320의 태양 반경으로 부풀려지고 진한 노란색으로 빛났다. 그 온도는 6,500도 였는데 이는 예상치의 절반에 불과했다.

연구진은 “이것은 Ib 형 초신성의 예상되는 전임별과는 뚜렷한 대조를 이룬다. 대신, 이 별은 온도와 광도 측면에서 고전적인 핵붕괴 초신성의 전신으로 간주되는 황색 초거성과 가장 가깝다.
그럼에도 관측 데이터는 이 이상한 별이 정상적인 초신성에서 폭발하지 않고 수소가 부족한 Ib 형 형태로 폭발했음을 분명히 보여준다.
"우리는 이와 같은 것을 본 적이 없다"고 Kilpatrick은 말했다. “별이 수소없이 폭발한다면 그것은 매우 파랗고 매우 뜨거워야 한다. 껍데기에 수소가 없이는 별이 그렇게 차가워지는 것은 거의 불가능하다.” 그러나 이 전임 별은 폭발 당시 수소가 거의 없었다.

▲ 2.6년 전에 찍은 허블 사진에서 초신성 2019yvr(위)과 그 이전 별(아래)의 이미지. © Charles Kilpatrick / Northwestern University

적용되는 시나리오 없음

이 불일치를 어떻게 설명할 수 있을까?
답을 찾기 위해 Kilpatrick과 그의 팀은 연구에서 다양한 시나리오를 실행했다. 이론적으로는 노란색 초거성이 폭발 직전에 수소 외피를 방출했다고 생각할 수 있다. 그러나 2.6년 이내에 거의 30개의 태양 질량의 수소를 잃어야 했다.

그러나 현재 모델에 따르면 이것은 거의 불가능하며 이 방출된 수소의 흔적이 발견되지 않은 이유를 설명하지 못한다. 150일 후 별 폭발의 충격파가 강타한 수소 구름은 초신성 44년 전에 분출됐기 때문에 천문학자들이 보고한 것처럼 관측을 설명하기에는 너무 이르다.

마찬가지로 이전 별의 차가운 노란색 표면이 실제로 강렬한 별 풍의 밀도가 높은 영역으로 시뮬레이션 되는 시나리오는 거의 없다. 그러면 별은 실제보다 더 크고 차갑게 보일 것이다. Kilpatrick과 그의 팀은 "관측된 광구에서 이렇게 짙은 별 풍이 형성될 수 있다는 증거는 없다"고 말했다.

이중성도 맞지 않아

추정되는 단일 별이 아마도 쌍성계일 수 있을까?
천문학자들도 이 시나리오를 조사했다. 대부분의 쌍성계에서 초신성 전임자는 폭발 직전에 여전히 일부 수소를 보유하고 있어 Ib 형 초신성이 되기에는 너무 많다. 그러나 수소 가스층이 조기에 버려질 수 있는 몇 가지 경우조차도 그림에 맞지 않는다.

“Ib 형 초신성의 이중성 전임자로서 낮은 질량 헬륨 별을 기대한다. 이것들은 껍질이 타오르면 약간 팽창 할 수 있지만 일반적으로 태양 반경 100 이하로 유지된다”고 Kilpatrick과 그의 팀은 말했다. 반면에 SN2019yvr의 노란색 거인은 태양 반경이 320 이상이었다.

"물리적으로 가능한 것의 한계“

이전의 별과 초신성의 이러한 조합은 현재의 이론으로는 설명할 수 없다.
“우리는 이와 같은 별을 설명할 수 있는 모든 항성 모델을 살펴 봤지만 각각의 별에는 여전히 수소가 포함되어 있어야 한다. 그러나 그것은 우리가 초신성에서 알 수 있듯이 그렇지 않았다”고 Kilpatrick은 말했다. "이 사건은 물리적으로 가능한 한도에 도달했다.”

천문학자들이 설명하듯이 2019yvr 초신성은 폭발 직전에 거의 껍질이 없고 수소가 부족한 전임 별이 형성된 시나리오가 선행되었을 것이다. 반면에, 이 과정은 별이 초신성 이전에 최대 2.6년 동안 비정상적으로 차갑고 큰 상태를 유지하도록 해야 한다. Kilpatrick과 그의 동료들은 여전히 이 딜레마에 대한 명확한 해결책이 없다.

그러나 그들은 현재 건설 중인 칠레의 베라 C. 루빈 천문대와 같은 미래 망원경의 더 나은 해상도가 답을 제공 할 수 있기를 바라고 있다. Kilpatrick은 “4~5년 후에는 실제로 일어난 일에 대해 더 많이 알게 될 것이다”고 말했다.
(왕립 천문 학회 월간 고지, 2021; doi : 10.1093 / mnras / stab838)
출처 : Royal Astronomical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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