천문학자들이 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 사용해 지난 400년간 유일하게 폭발하는 모습을 맨눈으로 관측한 초신성인 '초신성 1987A'의 잔해에서 중성자별(neutron star)의 존재를 보여주는 결정적 증거를 발견했다.

23일 스웨덴 스톡홀름대 클레스 프란손 교수팀은 과학 저널 사이언스(Science)에서 초신성 1987A 폭발 지점을 JWST로 관측, 고도로 이온화된 아르곤과 유황 가스에서 나오는 방출선(emission lines)을 발견했다며 이는 중심부에 중성자별이 있다는 강력한 증거라고 밝혔다.

▲ 초신성 1987A 허블우주망원경 사진과 중성자별 위치. 허블 우주 망원경(HST)으로 촬영한 초신성 1987A 사진에 제임스 웹 우주망원경(JWST) 근적외선 분광기(NIRSpec) 관측으로 포착한 중성자별 위치(옅은 파란색 부분) 등을 합성한 사진. 주변 붉은색과 오렌지색은 초신성 폭발 때 방출된 잔해와 가스이며, 오른쪽과 왼쪽에 있는 밝은 별은 초신성과는 관련 없는 별들이다.

우리은하에서 16만8천 광년 떨어진 이웃 왜소은하에 있는 초신성 1987A는 1987년 2월 23일 폭발하는 모습이 관측됐으며, 4세기 동안 관측된 초신성 중 가장 가깝고 가장 밝을 뿐 아니라 30여년 간 가장 많이 연구돼온 천체의 하나로 꼽힌다.

폭발 전후 중성미자(neutrino)가 생성돼 초신성 폭발 빛이 도달하기 몇 시간 전에 지구에서 감지됐으며, 이는 초신성 폭발로 중성자별이나 블랙홀이 형성됐을 가능성을 시사하는 것으로 풀이됐다.

하지만 폭발로 빠르게 팽창하는 조밀한 가스와 먼지 등으로 인해 중성자별이나 블랙홀은 직접 관측되지는 않았고, 중심부에 형성된 소형 천체의 정체는 지금도 여전히 논쟁 대상이 되고 있다.

수명을 다한 별은 질량이 태양의 8배 이상일 경우 핵이 붕괴하며 초신성 폭발을 일으킬 수 있다. 초신성은 폭발하면서 산소, 실리콘, 마그네슘 등 무거운 원소를 주변 우주에 공급하고, 핵은 우주에서 가장 밀도가 가장 높은 물질로 구성된 작은 중성자별이나 블랙홀이 된다.

▲ 1987년 2월 23일 초신성 1987A 폭발 전(오른쪽)과 후 사진.

연구팀은 이 연구에서 제임스 웹망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 사용해 초신성 1987A 폭발 지점 주변의 잔해와 기체 구성, 움직임 등을 관측했다.

이를 통해 폭발 지점 근처에서 고도로 이온화된 아르곤과 유황 가스에서 나오는 적외선 방출선(emission lines)을 발견했다.

연구팀은 이런 가스 구성과 이온화, 적외선 방출선은 주변에 자외선과 X-선을 직간접적으로 방출하는 중성자별이 있는 경우에만 설명이 가능하다며 이 관측은 초신성 1987A 잔해에 중성자별이 있다는 강력한 증거라고 밝혔다. 블랙홀에서는 관측된 것과 같은 방출선이 형성되지 않기 때문이다.

이어 이런 현상을 일으키는 후보로는 식어가는 중성자별(CNS)이나 전파를 방출하는 맥동성 바람 성운(PWN : pulsar wind nebula)이 있는데, 어떤 가능성이 더 큰지는 현재로는 알 수 없지만 두 경우 모두 중성자별이 필요하다고 말했다.

◆ 출처 : Science, Claes Fransson et al., 'Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A', www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796

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