[아하! 우주] ‘수소 없는 별’이 있다고?

수소는 우주에서 가장 흔한 물질이다. 동시에 별의 주요 구성 원소이기도 하다. 고온 고압 환경에서 발생하는 수소 핵융합 반응은 별을 빛나게 만드는 원동력이다. 하지만 우주에 수소가 없는 별이 있다면 어떨까? 우리의 상식을 거스르는 매우 괴상한 일이지만, 천문학자들은 관측을 통해서 실제로 그런 별이 존재할 수 있다는 사실을 알고 있다.

초신성 가운데서도 매우 밝은 초신성을 ‘극초신성’(Superluminous Supernovae·SLSNe)이라고 부르는데, 이 가운데는 수소가 거의 없는 SLSNe-I형(hydrogen poor) 초신성이 존재하기 때문이다. 초신성은 태양보다 훨씬 무거운 별이 최후의 순간에 폭발하면서 여러 원소를 방출하는 것이다. 보통 초신성 폭발의 순간에도 우주에서 가장 흔한 원소인 수소는 풍부하게 존재한다. 그런데 왜 일부 초신성에서 수소를 발견할 수 없을까?

노르웨이의 카블리 우주물리·수학연구소(Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe·Kavli IPMU)의 과학자들은 시뮬레이션을 통해서 이를 설명할 수 있는 가설을 검증했다.

보통 별이 처음 생겼을 때는 중심부에 수소가 풍부해 수소를 헬륨으로 바꾸는 수소 핵융합 반응이 일어난다. 하지만 시간이 지나면서 중심부에는 헬륨 같은 무거운 원소가 쌓이게 된다. 그리고 충분한 압력과 온도가 있으면 이 헬륨을 연소시켜 핵융합 반응이 발생한다. 이렇게 발생한 산소와 탄소도 다시 핵융합 반응의 원료가 될 수 있다. 무거운 별의 경우 이런 방식으로 철보다 가벼운 원소가 대량으로 생산된다. 최후의 순간에는 별의 중심부에는 무거운 원소부터 차례로 층을 형성해 마치 양파 같은 구조가 된다.

연구팀은 SLSNe-I형 초신성이 이런 과정을 거쳐 수소를 대부분 소진할 뿐 아니라 남은 수소를 항성풍의 형태로 주변으로 모두 방출한다고 주장했다. 그러면 별의 외곽 층에는 헬륨만 남게 되며 사실상 수소가 없는 별이 탄생하게 된다. 하지만 이 상태에 도달하면 사실 폭발이 임박한 것이다. 초신성 폭발 몇 년 전에 이 거대 별은 주변으로 헬륨을 방출하며 이렇게 방출된 헬륨은 고리를 형성한다. 그리고 초신성 폭발 시에는 이 헬륨 고리만 확인되고 수소의 존재는 확인할 수 없다. (개념도 참조)

우주에는 우리의 상상보다 훨씬 다양하고 독특한 별이 존재한다. 우리의 상식과 반대되는 SLSNe-I형 초신성 역시 그중 하나일 뿐이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com