중성자별끼리 충돌해 초강력 폭발을 일으키며 금을 생성하는 '킬로노바'(Kilonova)의 모든 조건을 갖추고 이를 준비 중인 쌍성계가 처음으로 관측됐다.

이런 쌍성계는 1천억개가 넘는 우리 은하 별 중에서도 열 손가락 안에 꼽을 정도로 극히 드문 것으로 제시됐다.

미국 '천문학연구 대학연맹'(AURA)에 따르면 엠브리-리들 항공대학 물리학 조교수 노엘 리처드슨이 이끄는 연구팀은 지구에서 약 1만1천400광년 떨어진 곳의 쌍성계 'CPD-29 2176'을 관측한 결과를 과학 저널 '네이처'(Nature)에 발표했다.

▲ 미래 '킬로노바' 조건을 갖춘 희귀 쌍성계 상상도.

CPD-292176은 감마선 폭발을 관측하는 미국 항공우주국(NASA)의 '닐 게렐스 스위프트 천문대'에서 처음 포착했으며, 이후 칠레 '세로 톨롤로 천문대'(CTIO)의 구경 1.5ｍ 스마츠(SMARTS) 망원경으로 후속 관측하는 과정에서 킬로노바 조건이 확인됐다.

질량이 큰 별은 항성 진화 마지막 단계에서 '슈퍼노바'(supernova), 이른바 초신성으로 큰 폭발을 일으키며 밀도가 높은 핵만 남아 중성자별이나 블랙홀이 되는데, CPD-29 2176 쌍성계는 이런 과정을 이미 거친 중성자별과 슈퍼노바를 향해가는 대형 짝별로 이뤄져 있는 것으로 관측됐다.

특이한 것은 이 중성자별이 짝별에 바깥 대기의 상당 부분을 뺏긴 '초박탈'(ultra-stripped) 별로 초신성 폭발 때 폭발력이 전통적인 슈퍼노바만큼 강하지는 않았다는 것이다. 그 덕분에 짝별은 쌍성계 밖으로 튕겨 나가지 않고 이전 궤도를 유지할 수 있게 됐다.

▲ CPD-29 2176 쌍성계의 킬로노바 과정. 두 개의 대형별(1)로 구성된 쌍성계에서 진화 마지막 단계에 이른 별이 짝별에 대기의 상당부분을 뺏기고(3) 초박탈 슈퍼노바로 폭발(4)하면서 약한 폭발력으로 짝별을 쌍성계 내에 유지한다(5). 이는 현재 CPD-29 2176의 상황으로, 이후에는 짝별이 초박탈 슈퍼노바로 폭발하고(6), 두 중성자별로 된 쌍성계가 형성된 뒤 서로 접근하며 충돌해 킬로노바로 다시 폭발하며 금과 은 등의 무거운 원소를 남기게 된다(7∼9).

짝별도 초박탈 슈퍼노바로 약한 폭발력으로 기존 중성자별을 밀어내지 않고 새로운 중성자별이 되면 서로 점차 가까워지며 궤도에너지를 잃고 충돌해 강력한 중력파를 방출하고 많은 양의 금과 은과 같은 무거운 원소를 남기게 된다.

리처드슨 박사는 "CPD-29 2176의 중성자별이 짝별을 쌍성계 밖으로 차내지 않고 형성됐다는 것은 초박탈 슈퍼노바로 가장 잘 설명될 수 있다"면서 "이 쌍성계에서 중성자별끼리 충돌하는 킬로노바가 일어나려면 남은 별도 초박탈 슈퍼노바로 폭발해야 한다"고 덧붙였다.

CPD-29 2176과 같은 킬로노바 원형을 관측한 것은 희소성을 넘어 킬로노바의 형성 과정을 규명하고 우주에서 가장 무거운 원소의 기원을 밝히는데 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

논문 공동 저자인 미국 국립 광·적외선천문학연구소(NOIRLab) 천문학자 앙드레-니콜라 셴 박사는 "킬로노바로 이어지는 정확한 조건을 놓고 상당 기간 추정만 해왔는데, 이번 관측을 통해 적어도 일부 사례에서는 두 개의 중성자별 중 하나가 전형적인 슈퍼노바 폭발 없이 형성되면 합쳐질 수 있다는 점이 입증됐다"고 했다. 그러면서 "우리 은하에 적어도 1천억 개가 넘는 별이 있고, 수천억개에 달할 수도 있는데 이런 놀라운 쌍성계는 100억개 중에 하나꼴밖에 존재하지 않는다"고 덧붙였다.

연구팀은 CPD-29 2176이 킬로노바를 일으킬 수 있는 조건을 갖췄지만 이를 직접 보고 연구하는 것은 미래 천문학자들의 몫이 될 것이라고 했다.

대형 짝별이 생을 마감하며 슈퍼노바로 폭발한 뒤 제2의 중성자별이 될 때까지 적어도 100만년 이상 걸리기 때문이다.

리처드슨 박사는 "CPD-29 2176은 중성자별이 작은 폭발력을 가진 슈퍼노바를 통해서도 형성될 수 있다는 점을 드러내 줬다"면서 "CPD-292176와 같은 쌍성계를 이해하게 되면 별이 전통적인 초신성 폭발 없이 조용한 죽음을 맞는 것에 대한 통찰력을 얻게 될 것"이라고 했다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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