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매일 밤하늘, 드넓은 우주 어디선가에는 태양이 평생, 즉 1백억년 동안 내놓는 양보다 많은 에너지를 수분, 때로는 수초만에 분출하는 장관이 연출되고 있다. 감마선폭발(Gamma-ray burst)로 이름 붙여진 이 현상은 1960년대 말 처음 발견된 이래 신비에 싸인채 천체물리학자들을 매료시켜왔다.

이런 거대한 폭발은 어디에서, 왜 일어나는가? 지난 10여년 동안의 집중적인 연구 결과 감마선폭발에 대한 의문이 하나둘 밝혀지고 있다. 우주의 작은 빅뱅이라고도 불리는 감마선폭발의 실체를 들여다보자.

핵실험 감시하다 발견
 

감마선폭발 현상의 발견은 대부분의 획기적인 새로운 발견이 그렇듯이 아주 우연한 기회에서 비롯됐다. 미소 냉전체제의 찬바람이 매섭던 1960년대, 양국은 서로의 핵무기 개발에 대해 신경을 곤두세우며 정보입수에 혈안이 돼 있었다.

핵실험 여부를 알아낼 수 있는 방법 중 하나가 지상에서 오는 감마선의 양을 측정하는 것이다. 감마선은 X선과 자외선보다 파장이 짧아 더 큰 에너지를 함유한 빛인데, 자연적으로는 방사선의 일종으로 핵폭발 실험에서 다량 방출되기 때문이다.

소련의 핵실험금지조약 이행을 감시하기 위해 1969년 미국이 쏘아 올린 감마선 측정위성 벨라(Vela)는 지구표면이 아니라 우주로부터 오는 강한 감마선을 측정하게 된다. 예상 밖의 현상에 당황한 연구자들은 이 감마선의 실체를 밝히기 위해 노력했지만 당시 과학기술로는 역부족이었다.

과연 이 감마선은 어디에서 오는 것일까? 그리고 그 원인은 무엇이며 그런 천체는 얼마나 많이 존재할까? 이런 수많은 의문을 간직한 채 우주 감마선 천체의 발견에 대한 첫 논문이 1973년 미국 천문학회지에 발표됐다. 새로운 우주 시대의 서막을 알리는 논문이었지만 여기에서 과학자들은 전혀 새로운 천문 현상이 발견됐다는 결론을 내리는 것으로 만족해야 했다.

1991년 미항공우주국(NASA)은 감마선폭발 현상을 규명하는 임무를 부여받은 컴프턴(Compton) 감마선 우주망원경을 우주로 보냄으로써 감마선폭발 연구에 본격 돌입했다. 2000년 수명을 마칠 때까지 컴프턴 감마선 우주망원경은 매일 한건 이상 총 3천여 개의 감마선폭발 천체를 관측했다. 분석 결과 이들 감마선폭발 천체가 하늘의 모든 방향에 골고루 분포하는 것으로 밝혀졌다. 이 사실은 감마선폭발 천체가 우리은하 내부가 아니라 외부에 존재함을 의미한다.

1996년에는 이탈리아와 네덜란드의 합작 위성 베포-색스(Beppo-SAX)가 우주로 올라갔다. 베포-색스는 감마선에서 X선까지 다양한 파장을 동시에 관측할 수 있는 위성으로, 감마선폭발 천체의 좀더 정확한 위치 추정이 가능하다. 그 결과 감마선폭발이 일어나고 있는 은하가 지구에서 수십억 광년 떨어져 있다는 사실이 밝혀졌다. 또 인공위성에서 측정한 에너지로부터 추정한 감마선폭발 천체의 폭발 에너지는 초신성폭발의 에너지와 맞먹는다는 것이 밝혀졌다.

이 양은 태양이 평생 방출하는 에너지보다 훨씬 큰 양일 뿐 아니라 불과 수초에서 수분 사이에 분출된다. 이 에너지는 히로시마에 떨어진 원자폭탄 1031 개, 즉 매일 1천조개의 폭탄을 30조년동안 터트린 것에 해당한다. 과연 이 막대한 에너지는 어디에서 오는 것일까? 무엇이 이렇게 강력한 폭발을 일으키는 것인가?

이러한 물음에 대한 해결의 실마리는 전혀 새로운 방향에서 나타났다. 감마선폭발이 관측된 후 같은 방향으로 광학망원경과 전파망원경 등을 이용해 다른 파장 영역의 빛을 관측한 결과, 일부 감마선폭발 천체에서 초신성의 증거들이 관측된 것이다. 초신성(supernova)은 별 전체가 폭발하면서 산산조각나는 파국적 사건이다.

감마선이 관측된 것과 같은 방향에서 관측 후 수일에 걸쳐 다른 파장에서도 밝은 빛이 급격히 감소하는 현상이 관측됐는데, 이는 감마선폭발을 일으키는 에너지가 먼저 감마선으로 방출되고, 남은 에너지는 별을 구성하고 있는 물질들과 충돌하면서 다른 파장영역의 빛도 방출하기 때문이다.

이 가운데 일부에서 가시광선 영역의 빛이 감소하는 도중에 갑자기 밝기가 증가하는 현상이 관측됐다. 이런 관측은 감마선폭발에 이어 초신성폭발이 일어났음을 의미한다. 한편 감마선폭발 천체에서 방출되는 빛은 좁은 각도로 분출되며 시간이 지날수록 그 각도가 넓어진다는 사실이 확인됐다.

따라서 기존의 초신성과 달리 감마선폭발을 수반하며 동시에 초기에 좁은 각도로 감마선을 방출하는 새로운 형태의 초신성 또는 극초신성이 있어야 한다. 극초신성(hypernova)이란 폭발 에너지가 보통의 초신성보다 훨씬 큰 경우이다.
 

우주의 작은 빅뱅

과연 어떤 천체가 이렇게 새로운 폭발을 일으킬 수 있을까? 연구자들은 블랙홀을 주목하기 시작했다. 빛조차 빨아들인다는 미지의 천체 블랙홀. 과연 블랙홀이 폭발을 일으킬 수 있을까? 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 그 존재 가능성이 예측된 블랙홀은 그 실체에 대해 많은 의문이 제기돼왔다. 블랙홀은 정말 존재하는가? 이 의문은 위성 탑재 X선 망원경에 의해 풀렸다.

모든 물질은 그 온도에 해당하는 빛을 방출한다. 야밤에 적외선 망원경을 쓰면 물체를 식별할 수 있는 것은 물체가 적외선을 방출하는 온도 범위에 있기 때문이다. 그렇다면 X선을 방출하는 물체는 얼마나 뜨거울까? 이론적으로 물체의 온도가 1천만℃가 되면 X선을 방출하게 된다. 따라서 만일 강력한 X선을 방출하는 천체가 관측된다면, 이 천체에서 X선을 방출하는 영역은 1천만℃에 이르러야만 하는 것이다. 그런데 실제로 이런 천체가 위성 탑재 망원경에 의해 관측됐다. 그렇다면 과연 어떤 별이 이처럼 높은 온도를 유지하며 X선을 방출할 수 있을까.

질량이 태양의 수배인 블랙홀이 혼자 있지 않고 다른 별과 짝을 이루고 있는 경우, 짝별의 물질은 블랙홀쪽으로 돌면서 흡수된다. 이론에 따르면 이 물질이 블랙홀 주변에 도달하면 온도가 1천만℃에 이르게 된다. 그 결과 이 과정에서 X선을 방출하게 된다. 이런 이론과 실제 X선 관측에 의해 우리은하 내부에 존재하는 블랙홀 수십개의 존재가 확인됐다.

그런데 1999년 ‘노바 스코피’(Nova Scorpii)로 이름이 붙여진 블랙홀 쌍성에서 블랙홀과 짝을 이루고 있는 별의 원소 함유비를 관측한 결과 아주 새로운 현상이 확인됐다. 이별은 태양의 1.5배 정도의 질량을 가진 별임에도 불구하고, 산소와 같은 원소가 태양보다 10배나 많은 것이 관측됐다. 과연 어떻게 이 원소비를 설명할 수 있을까? 만약 블랙홀 형성 당시 블랙홀의 모체에서 초신성폭발이 있었고, 이때 만들어진 원소들이 짝별에 흡수됐다면 노바 스코피에서 관측된 원소비를 설명할 수 있다는 가설이 제시됐다.

그리고 이 블랙홀 쌍성이 초당 1백km의 상대 속도로 지구로 달려오는 것이 관측돼 초신성폭발을 수반한 블랙홀의 형성 가능성을 뒷받침하고 있다. 빠르게 움직이는 블랙홀 쌍성을 이해하는 가장 자연스러운 설명은 블랙홀이 만들어질 때 폭발에 의해 날아간 물질과 반대 방향으로 블랙홀이 이동한다는 것이다. 따라서 이는 폭발의 간접적인 증거로 받아들일 수 있다. 지구로 다가오는 것은 폭발에 의해 우연히 방향이 그렇게 정해졌기 때문이다.

이러한 최근의 관측 및 이론적 연구의 결과, 블랙홀을 수반한 새로운 형태의 초신성폭발이 알려지게 되었다. 그런데 빛조차 빨아들인다고 알려진 블랙홀이 어떻게 초신성폭발을 일으킬 수 있을까? 그 해답은 회전하는 블랙홀에서 찾을 수 있다.

돌고 있는 물체가 계속 그 상태를 유지하는 성질을 각운동량보존이라고 한다. 피겨 스케이팅선수가 팔을 벌린 채로 돌다가 팔을 오므리면 도는 속도가 빨라진다. 회전 반경이 줄어들면 회전속도가 빨라져야 각운동량이 보존되기 때문이다.

블랙홀은 초기 질량이 태양의 20배가 넘는 무거운 별들이 수명을 다하고 붕괴하면서 형성된다. 이 별의 중심에는 우주에서 가장 안정한 물질인 철로 만들어진 핵이 존재하는데, 이 핵이 압력을 이기지 못하고 붕괴해 블랙홀이 형성되는 것으로 알려져 있다. 이때 만약 돌고 있는 별이 붕괴해 블랙홀이 형성된다면 블랙홀은 탄생의 순간에 아주 빠르게 돌 수 있다. 이론적으로 태양의 몇배 질량을 가진 블랙홀은 초당 1만회 정도의 어마어마한 속도로 회전할 수 있다.

외부에서 블랙홀로 빨려 들어가는 물질은 블랙홀 표면의 엄청난 회전 속도 때문에 회오리바람을 타듯 빙글빙글 돌면서 다가간다. 이때 블랙홀에 가까워질수록 반경이 좁아져 회전속도가 빛의 속도에 가까워진다. 만일 이 물질이 빛의 속도에 이르면 블랙홀로 더이상 다가가지 못한다. 반경이 더 좁아지면 빛의 속도보다 빨라져야 각운동량이 보존되는데 물질은 빛보다 빠를 수 없기 때문이다. 따라서 외부에서 유입되는 물질과 미처 블랙홀로 흡수되지 못한 물질들에 의해 불안정한 상태가 형성되고 블랙홀 주위에 존재하는 자기장들이 복합적으로 작용해 우주 탄생 이후 최대의 폭발이 일어나게 된다.

블랙홀 탄생의 외침
 

블랙홀과 블랙홀로 빨려 들어가는 물질의 회전운동에너지가 감마선에 집중돼 나타나면 감마선폭발 현상으로, 보통의 초신성처럼 별의 껍질을 날려버리는데 쓰인다면 초신성폭발로, 경우에 따라서는 회전에너지가 분산돼 감마선폭발과 초신성폭발을 동시에 일으킬 수 있는 것이다. 이 경우 폭발은 보통 초신성폭발처럼 사방으로 대칭적으로 일어나는 것이 아니라 비대칭적으로, 즉 회전축 방향으로 일어나게 된다.

만약 이런 감마선폭발이 우리은하 중심부에서 일어난다면, 현재 우리가 지상에서 일상적으로 받고 있는 자연방사능에 존재하는 감마선보다 수억배 이상 많은 감마선이 수초에서 수분 동안 지구에 쏟아지므로 생물체에 치명적인 영향을 미칠 것이다. 다행히 감마선폭발은 질량이 태양의 20배 이상이 되는, 수명이 태양의 수백분의 1보다 짧은 무거운 별이 최후를 마칠 때 일어난다. 따라서 이렇게 무거운 별들이 대부분 사라진 우리 은하에서는 감마선폭발 현상이 일어날 확률이 매우 낮다.

감마선폭발 천체가 처음 관측된 후, 특히 최근 10여년 동안 여러 위성관측을 통해 그 신비가 조금씩 풀리고 있다. 비록 아직까지는 감마선폭발 천체에 대한 이해가 이론적으로 완전히 이뤄지진 못하고 있지만, HETE-II 등의 감마선 관측 위성과 찬드라와 같은 X선 관측위성, 그리고 허블과 같은 위성탑재 광학망원경의 발달에 힘입어 조만간 보다 많은 신비가 밝혀질 것으로 기대된다.

한편 감마선폭발 천체를 통해 초기 우주에 대한 정보를 얻으려는 노력도 이뤄지고 있다. 감마선폭발 천체는 엄청난 에너지를 감마선을 통해 방출하므로 지구에서 아주 멀리 떨어진 은하에서 일어난 폭발도 위성탑재 망원경을 통해 관측할 수가 있다. 현재 관측되고 있는 감마선폭발 현상은 아주 먼 과거, 즉 수십억년 전에 일어난 현상이다. 따라서 감마선폭발 천체는 초기 우주에 대한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

특히 초기 우주의 은하 분포에 대한 정보는 우주의 진화를 이해하는데 결정적인 영향을 미치는 우주 상수 결정에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 이런 목표 달성을 위해 스위프트(Swift)같은 새로운 감마선 관측 위성이 현재 계획되고 있다.

아직 국내 연구진이 자체 개발해 운영중인 위성 탑재 망원경은 없다. 하지만 광학 망원경을 이용해 감마선폭발 뒤에 일어나는 현상을 관측하는 연구는 이미 결실을 눈앞에 두고 있다. 이론분야에서도 몇몇 국내 연구진이 블랙홀 및 감마선폭발 천체에 대한 세계적인 연구를 진행하고 있다.

별은 어떻게 최후를 맞을까

태양과 같은 별은 주로 수소를 연료로 해서 핵융합 반응을 일으키며 빛을 내고 있다. 태양은 1백억년 동안 빛을 내며 살다가 수소 연료가 바닥나면 적색거성을 거쳐 백색왜성으로 변한 뒤 서서히 죽어간다.

그런데 태양보다 무거운 별들은 수소, 헬륨 핵융합뿐 아니라 탄소, 산소 등 무거운 원소의 핵융합 반응을 일으키며 진화한다. 태양이 이들 무거운 원소의 핵융합 반응을 일으키지 못하는 이유는 중심부의 온도가 이들 반응을 유도할 만큼 높지 않기 때문이다.

질량이 태양의 8배가 넘는 별은 중심부의 온도가 충분히 높아 철이 만들어질 때까지 핵반응을 계속한다. 그런데 철이 만들어지면 더이상 핵융합 반응이 일어나지 않게 되는데, 이는 철이 우주에서 가장 안정된 물질이기 때문이다. 철로 구성된 핵의 질량이 어느 한계를 넘으면 붕괴해 중성자별이나 블랙홀이 된다.

질량이 태양의 8-20배인 별은 초신성폭발을 일으켜 주위의 물질을 날려버리고 가운데 중성자별만 남긴다. 한편 질량이 태양의 20-40배인 별은 블랙홀로 붕괴하는데 이때 블랙홀의 회전속도에 따라 운명이 달라진다. 빠르게 돌고 있는 블랙홀은 엄청난 회전에너지로부터 감마선폭발이나 초신성 또는 극초신성을 일으킨다. 한편 회전하지 않거나 천천히 도는 블랙홀이 형성된 경우에는 블랙홀 탄생과 동시에 주위의 물질이 빨려들어 가면서 별은 최후를 맞이한다.

오르도비스기 대멸종은 감마선폭발 때문?

지금으로부터 4억 4천만년 전, 당시 번성하고 있던 생물종의 2/3가 갑작스럽게 멸종한 사건이 일어났다. 오르도비스기 대멸종으로 불리는 이 참사의 원인은 아직 밝혀지지 않고 있는 가운데 한 천문학자가 새로운 가설을 들고 나왔다. 감마선폭발이 그 원인이라는 것.

미국 캔자스대 천문학자인 에이드리언 멜롯 박사는 지구로부터 1만 광년 이내의 거리에서 발생한 감마선폭발이 지구를 강타, 성층권을 파괴했을 거라고 주장했다. 그 결과 오존층이 희박해지면서 태양의 자외선이 그대로 지표로 도달, 생명체를 몰살시켰다는 것이다. 1만 광년이면 우리은하 내부로, 현재 관측되는 감마선폭발이 수십억광년 떨어진 우리은하 밖에서 일어나는 현상인 것과 차이가 있다.

멜롯 박사는 지난 1월 7일 미국 애틀랜타에서 열린 미국천문학회 회의에서 “지구에 위협적인 감마선폭발은 수억년에 한번꼴로 일어날 수 있을 것”이라며 “당장 내일 이런 일이 일어날지도 모를 일”이라고 말했다.

이런 주장에 대해 미국 버클리대 고생물학자 제레 립스 교수는 “감마선폭발은 오르도비스기 대멸종을 설명하는 여러 가설 중 하나일 뿐”이라며 “가설은 검증을 받아야 인정되는 것 아니냐”며 신중한 반응을 보였다.