태양 크기의 별은 수소를 모두 소진하면 최후에 핵만 남아 백색왜성(white dwarf)이 된다. 그런데 별의 절반 면은 수소, 절반 면은 헬륨이 뒤덮여 있는 백색왜성이 발견돼 궁금증을 불러일으키고 있다.

미국 캘리포니아공대(Caltech) 일라리아 카이아조 박사팀은 과학저널 '네이처'(Nature)에서 별이 회전할 때 수소로 이루어진 면과 헬륨으로 이루어진 면이 번갈아 가며 관측되는 두 얼굴을 가진 백색왜성(ZTF J203349.8+322901.1)을 처음으로 발견했다고 밝혔다.

백색왜성은 태양 크기 별의 최후 모습이다. 이런 별은 늙어가면서 수소를 핵융합에 모두 소진하고 부풀어 올라 적색거성(red giant)이 됐다가 표면의 가스가 모두 날아가고 핵이 수축하면서 고온 고밀도의 백색왜성이 된다.

▲ 한쪽은 수소, 한쪽은 헬륨인 백색왜성 '야누스' 상상도. 우리 태양과 같은 별이었다가 죽은 이 백색왜성은 한쪽은 주로 수소, 다른 한쪽은 헬륨으로 구성돼 있다. 더 밝게 보이는 절반이 수소 영역이다.

백색왜성은 강력한 중력 때문에 무거운 원소들은 중심으로 가라앉고 겉에는 남은 수소와 헬륨이 둘러싸는 형태가 된다. 태양도 50억년 후에는 이런 과정을 거쳐 지구 크기의 백색왜성이 될 것으로 예상된다.

연구팀은 두 얼굴을 가진 이 백색왜성에 로마의 신 이름을 따 '야누스'라는 별명을 붙였다. 이 별은 캘리포니아공대가 운영하는 팔로마천문대의 광역 천체 관측장비 '츠비키 순간포착 시설'(ZTF)에 처음 관측됐다.

이들은 이 별의 밝기가 빠르게 변하는 것을 발견하고 스페인 카나리아 제도에 있는 '카나리아대형망원경'(GTC) 장비와 팔로마천문대 장비를 이용한 후속 관측을 통해 야누스가 15분마다 자전한다는 사실을 확인했다.

이어 하와이 마우나케아산에 있는 W.M.케크천문대 관측에서 야누스가 자전할 때 일정 간격으로 분광기에 수소와 헬륨 파장만 번갈아 관측되는 것이 포착됐다. 별의 절반은 수소로, 절반은 헬륨으로 덮여 있다는 의미다.

그러나 야누스가 왜 이런 상태가 됐는지는 전혀 밝혀지지 않고 있다.

연구팀은 이런 백색왜성이 발견된 것은 처음이고 백색왜성 진화에서 드물게 나타나는 현상을 목격하고 있을지 모른다면서 한가지 가설을 제시했다.

카이아조 박사는 "백색왜성들 전부는 아니지만 일부에서는 별 표면이 수소에서 헬륨으로 전환되는 현상이 일어난다"며 "야누스는 그 과정에 있는 모습이 포착된 것일 수 있다"고 말했다.

백색왜성이 되면 무거운 원소는 중심부로 가라앉고 가벼운 수소는 위로 떠 오르는데 별이 냉각되면서 물질들이 서로 섞이는 과정에서 수소가 내부로 들어가고 표면에 헬륨이 더 많아지는 상태가 되기도 한다는 것이다.

그러나 이 가설이 맞는다 해도 왜 이런 현상이 별 전체가 아니라 절반으로 나뉘어 일어나는지는 여전히 수수께끼로 남는다.

카이아조 박사는 "해답은 자기장에 있을 수 있다"면서 "자기장은 물질의 혼합을 억제할 수 있는데, 별 주변 자기장은 비대칭이거나 한쪽이 더 강한 경향이 있어 자기장이 강한 쪽에서는 혼합이 일어나지 않아 수소만 있을 수 있다"고 말했다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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