1976년 국제학술지 ‘네이처’에 한 논문이 게재됐다. 카시오페이아 별자리에서 3번째로 밝은 감마 카시오페이아가 비정상적으로 강한 X선 방출을 한다는 관측 결과였다. 이런 특성은 별에서 일반적으로 작용하는 물리 법칙으로 설명되지 않았다. 50년이 지난 뒤 벨기에, 일본, 미국 등 국제 공동연구팀이 감마 카시오페이아에서 방출하는 비정상적으로 강한 X선이 쌍성계 때문이란 관측 결과를 발표했다. 연구는 3월 24일 국제학술지 ‘천문학 및 천체물리학’에 게재됐다. 연구 내용을 가상 인터뷰로 각색했다. doi: 10.1051/0004-6361/202558284
Q.반갑습니다. 자기소개 부탁드려요!
안녕하세요. 저는 감마 카시오페이아(γ Cas)라는 이름의 별이에요. 1976년 제 독특한 X선 방출 모습을 본 과학자들은, 이후 저처럼 특이한 천체들을 묶어 ‘감마 카시오페이아 계열’이라고 불러요. 빠르게 자전하고, 뜨겁고 밝은 대질량(태양의 약 3~20배)의 별 중에서도 훨씬 고에너지의 X선을 방출하는 특이한 천체들이죠. 보통 질량이 큰 별에서 X선을 방출하긴 하는데, 이건 별이 우주로 뿜어내는 고속 플라스마인 항성풍이 충돌하거나 항성풍 내부의 충격 때문에 만들어져 수백만 캘빈(K) 정도 온도예요.
그런데 제 친구들인 γ Cas 계열의 별은 별 주변에 100MK(메가 켈빈·1MK는 100만K) 이상의 매우 뜨거운 플라스마가 형성되고, 그 주변 물질에 있는 철 원자가 플라스마에서 나온 X선을 흡수했다가 다시 강한 에너지의 X선을 방출하는 등의 특징이 있어요.
Q.강한 X선의 비밀은 어떻게 풀렸어요?
관측 기술이 발전해서예요. 기존 X선 망원경은 에너지 해상도가 부족해, 철 원자가 X선을 흡수하고 다시 방출할 때의 미세한 속도 변화를 정확히 측정할 수 없었어요. 그런데 2023년 9월 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)가 미국항공우주국(NASA)과 협력해 쏘아 올린 XRISM 위성 덕분에 미세한 속도 변화를 확인할 수 있게 됐어요. XRISM은 X선 에너지 연구를 위한 관측 위성이에요. 공동연구팀은 XRISM로 γ Cas의 철(Fe)이 방출하는 X선의 움직임을 정밀하게 분석했어요. 철선의 속도 변화로 X선의 발생 위치를 추적할 수 있었죠.
Q.그래서 γ Cas의 비밀은 뭐였어요?
바로 γ Cas 계열의 별은 백색왜성이 짝을 이룬 상태일 가능성이 높단 거예요. 이렇게 두 별이 공통적인 질량 중심을 가지고 공전하는 항성계를 쌍성계라고 불러요. 연구팀은 X선 신호가 γ Cas 자체의 공전 궤도가 아니라 보이지 않는 동반성의 공전 궤도를 따라 변한다는 사실을 확인했죠. 즉 X선이 별 옆에 있는 백색왜성이 주변 물질을 빨아들이면서 뜨거워져 강한 X선을 방출한다는 거예요. γ Cas가 쌍성계의 일원일 수 있단 예측은 오래전부터 있었지만, 이번 관측으로 처음 확인됐던 거죠. 역시 물리 법칙을 뛰어넘는 말도 안 되는 일은 없는 거였어요!
