그동안 거대질량을 가진 별들이 '임종'을 맞았을 때 엄청난 에너지를 분출한다는 사실(초신성폭발)은 잘 알려져 있었으나 그 구체적인 메커니즘은 해명되지 않았다. 그러나 최근 새로운 초신성 폭발 모델이 제시되고 있는데….

핵이 섬광을 발하고 큰 중력이 압도했던 별들이, 그들의 화려한 삶을 마감할 무렵, 에너지를 마지막으로 분출하면서 파괴된다.

먼저 격변의 붕괴현장을 살펴보자. 철로 된 중심핵은 안쪽으로 파열되는데, 질량의 손실이 없다면 이로 인해 1초안에 수천km의 지름으로부터 60km 정도의 밀도가 높은 구로 수축된다. 그리고 나서 폭발한다. 붕괴후 ${10}^{-6}$초 동안에 자연의 가장 격렬한 사건이라고 할 수 있는 폭발이 모든 외곽층을 날려 버린다. 짧은 시간 동안에 그 불덩이는 1척억개 별들이 합친 밝기처럼 빛난다.

이러한 극적인 초신성폭발은 별의 재를 여기 저기에 흩뿌림으로써 우주를 새롭게 한다. 흩어진 파편과 성간먼지는 새로운 별과 행성의 생성물질, 그리고 생명체의 기원을 이룬다. 사람의 몸무게를 결정하는 탄소 실리콘 칼슘 철 등의 모든 원자들과 물 공기중의 산소는 이렇게 일생을 마감한 별들로부터 그 기원을 찾을 수 있다.

수십년 동안 초신성을 연구해 온 천체물리학자들은 갑작스런 붕괴를 일으키는 힘은 이해할 수 있었지만 폭발을 설명하는 데는 난감해 했다. 그러나 지금 그들은 할 수 있다고 생각한다.

투산의 아리조나 대학과 뉴멕시코의 로스알라모스 국립연구소의 과학자들이 슈퍼컴퓨터를 이용하여 초신성의 내부활동을 모의실험함으로써 폭발을 야기시키는 메커니즘을 발견한 것이다. 그것은 바로 방금 붕괴된 핵을 감싸는 가스체에서의 대류전류 작용이다. 냄비속에서 물이 끓는 것처럼 가스도, 극도로 뜨거운 핵으로부터 방출된 질량이 없고 원자보다 작은 입자들인 뉴트리노에 의해 뜨거워진다. 약 10초후 압력의 증강이 외부에 드러난다.

이 현상은 얼마전 투산에서 개최된 미국천문학협회 모임에서 아리조나대학의 천문학자인 월리 벤츠와 로스알라모스의 천체물리학자인 마크 헤런트에 의해 설명되었다. 같은 메커니즘의 또다른 모델은 아리조나의 이론 천제물리학자인 아담 S. 부로즈가 이끄는 그룹과 아리조나의 존 C. 헤이스와 고다드비행센터의 브루스 A. 프리젤이 제시했다. 버클리의 천문학자인 알렉스 필리펜코는 "이것은 실제로 획기적인 진전이며, 폭발이 일어나는 법을 안 것은 이번이 처음이다"고 말했다.

새 모델은 폭발의 원인뿐만 아니라 파편에서 무거운 원소들이 분산하는 모습, 초신성 폭발에서 일반적으로 형성되는 비대칭 모양, 필사의 행동 등을 포함한 여러가지 것들이 관측된다고 과학자들은 말한다. 폭발후 좌측 뒤에는 고밀도의 핵인 중성자별 같은 별의 시체가 있다. 매우 빠른 스핀을 가진 어떤 중성자별들은 진동하는 전파신호를 방출하는데, 그것은 필사라고 불린다.

충격파는 초신성의 원인이 아니다

이전의 모델들은 만족스럽지 못했다. 왜냐하면 별들의 붕괴가 엄청난 에너지를 발생시킨다는 사실은 알고 있었지만 과학자들은 그 열이, 그것도 폭발을 야기시킬 수 있을 만큼의 충분한 양이 어떻게 핵에서 외곽층으로 이동되는가를 보일 수 없었기 때문이다. 한 설명은 밖으로 분출되는 붕괴로부터 생긴 충격파가 초신성의 원인이 될지도 모른다는 것이었는데 모의실험 결과, 이것은 결코 일어날 것 같지 않았다.

충격파는 언제나 폭발을 일으킬 수 있기 전에 멎어버렸다. 그러한 사건에서는 아마 폭발 대신 별 전체가 질량이 너무도 고밀도라 어떤 복사파도 중력권을 벗어날 수 없는 블랙홀로 사라질 것이다.

헤런트박사는 다음과 같이 말했다. "거의 1백만분의 1로 갑자기 핵이 압축된다면 핵은 수 천억도로 뜨거워진다. 이것은 초신성에 공급되는 동력에너지의 1백배 이상을 가진 거대한 열에너지 저장고가 된다. 문제는 그 에너지를 조절할 수 있는 꼭지를 다는 것이다."

무거운 별들이 죽어가는 모습을 모의실험했는데 연구자들은 1초에 수백만개의 계산을 연속적으로 할 수 있는 강력한 컴퓨터를 사용했다. 그들은 ${10}^{-6}$초 동안에 일어나는 변화를 입력하고, 현대물리법칙에서 주어진 그럴듯한 결과들을 결정함으로써 모델들을 테스트해볼 수 있었다. 그들은 이전의 모의실험이 1차원에 국한된 것에 반해, 작용과 반작용을 2차원 때로는 3차원까지 모형화시킬 수 있었다.

1987년 발견된 SN 1987A

케플러가 첫 관측

과학자들은 또한 지난 4백년간에 폭발된 초신성중 가장 근사한 1987A의 자세한 연구로 이익을 얻었다. 이 폭발은 1987년 2월에 은하수의 이웃은하인 대마젤란성운에서 보게 되었다. 은하수에서 초신성을 최초로 본 사람은 1604년 요하네스 케플러라고 기록되어 있다.

태양같이 알맞은 크기의 별들은 폭발하지 않는다. 그러한 별들은 핵연료가 모두 고갈되면 외곽층은 서서히 우주공간 속으로 떠내려가버리고, 별은 희미한 백색왜성이 되면서 식어 버린다(그 최후는 태양의 경우 최소한 50억년 이후가 된다). 그러나 태양보다 8에서 1백배 정도 더 무거운 별들은 더욱 짧은 삶의 기간을 갖고, 더욱 격변의 죽음을 맞는다. 가까이에 있는 거대한 별 베텔쥬스는 어느날 초신성으로 끝나게 될 제1의 후보이다.

그렇게 무거운 별이 첫번째 연료인 수소와 그 다음으로 헬륨을 모두 소비하게 되면 융합로에서 생성된 더 무거운 원소들을 점차적으로 소비해야만 한다. 이것은 거의 필연적인 과정이다. 일시로 방출한 에너지는 별이 그 자체의 무게로 인해 붕괴되는 것을 막아준다. 그러나 이 과정으로 별의 핵은 마침내 철로 되고, 그것으로 삶의 끝이 시작되는 것이다.

철을 태우는 것은 에너지를 방출시키지 못한다. 그것은 오히려 에너지를 흡수한다. 엄청난 양의 열에너지 방출없이 중력이 작용된다면 별의 외곽물질은 그 무게로 분쇄되어 버리고, 핵은 압축되어 엄청난 밀도를 갖게 된다.

지금은 헤런트 연구팀의 일원인 로스알라모스의 물리학자 스터링 콜게이트는 1960년대에 뉴트리노가 초신성의 부산물일 것이라는 예언을 했다. 후에 노벨상을 탄 물리학자인 코넬대학의 한스 A.베스는 이러한 뉴트리노가 대류전류를 만드는 복사열을 제공할 것이며 열 순환이 폭발을 유도할 수 있을 정도의 조건을 창출할수 있을 것이라는 제안을 했다. "그는 아이디어의 아버지이다"라고 벤츠박사는 말했다.

1987년 발견된 SN 1987A 초신성 연구의 기폭제가 되었다.

1987A 폭발 직전 뉴트리노 관측

SN1987A의 폭발이 관측되기 조금 전에 일본과 미국에 있는 검출기들은 분출되는 뉴트리노의 뚜렷한 파동을 기록하였다. 이것은 콜게이트의 예언을 확실하게 하였고 베스 아이디어의 모의실험 테스트를 제공하였다. 한시간 반 후에는 폭풍이 지구 근처에 도달했고 남반구의 관측소에서 처음에는 자외선을, 마지막에는 가시광선을 탐지했다.

모의실험 결과에 따르면 별의 붕괴 후 가스체는 뜨거운 핵쪽으로 내려가기 시작한다. 뉴트리노의 유동에 의해 뜨거워진 가스는 큰 거품처럼 위로 뜨게 된다. 그것이 올라감에 띠라 좀더 차가운 기체는 핵쪽으로 가라앉아 일정한 자리를 차지하게 되고, 차례로 뜨거워지는 것이다. 이러한 대류운동을 통해 핵의 열에너지는 역학적 에너지로 효율적으로 전환된다.

헤런트박사는 이 과정을 냄비속에 두꺼운 재료를 넣어 익히는 것에 비유했다. 휘젓지않고 내버려 둔다면 뜨거운 재료의 아랫부분은 탈 것이고 윗부분은 상대적으로 차게 남아 있을 것이다. 휘젓는 것은 좀더 균일하게 익도록 하는 것이다.

이 운반된 에너지는 대류가스에 축적되고 벤츠가 '안전밸브 없는 압력솥'에 비유한 조건을 만든다. 그는 다음과 같이 말했다. "누군가가 열을 유지시킨다면 압력은 계속 증가할 것이고, 그것이 솥의 응집력을 초과하게 될때 압력 솥은 폭발하는 것이다."

이것이 중력에 의해 끌어당겨진 가스체에서 일어날 때, 별 전체는 날아가고 파편은 1초에 수천km 속도로 흩어진다.

부로즈는 컴퓨터 모의실험이 파편의 팽창층을 균일하게 형성시키지 않고 오히려 불규칙한 호를 그리며 산란하며 구부러진 기둥모양을 형성한다는 것을 보여주었다고 지적했다. 이 비대칭은 초신성의 주요한 현상인 것이다.

천문학자들은 이것이 오늘날 관측결과와 일치한다고 말했다. 그것은 SN1987A로부터 쏟아지는 물질속에서 탐지한 니켈 '총알'과 오래된 초신성의 잔해에서 보았던 '파편'의 양상을 설명하는데 도움을 줄 수 있었다. 대류과정은 또한 초신성의 파편에서 무거운 원소와 가벼운 원소가 완전히 섞이는 것을 설명할 수 있었고, 특히 SN1987A의 경우에서처럼 어떻게 별 내부 깊은 곳을 구성한다고 알려진 원소가 최외곽층에서 관찰될 수 있는가도 설명해준다.

이 새로운 연구는 폭발중인 별의 동력학에 대한 모든 답은 주지 못했다. 과학자들은 좀더 세밀한 모의실험 결과 활동중인 초신성의 연구가 필요하다고 한다. 그러나 옆의 가까운 별 하나가 갑자기 폭발했을 때 그것이 태양계와 다른 생명체를 구성할 수 있는 요소들을 씨뿌릴 수 있을지는 어느 누구도 예측할 수 없다.

황소자리 게성운 주변에서는 초신성 폭발의 잔해로부터 새로운 별들이 탄생하고 있다.