이것이 태양의 미래? 죽음의 춤을 추는 적색 거성 [우주를 보다]

태양과 같은 별들은 생의 마지막을 앞두고 거대한 적색거성으로 팽창한다. 수백 배 불어 오른 몸집은 우주 공간으로 물질을 내뿜으며 서서히 식어간다. 마지막에 남는 것은 남은 물질이 수축해 생기는 백색왜성이다. 이 과정은 정적이고 단순해 보이지만, 사실 천문학자들은 이 죽음의 과정에 대해 아직 알지 못하는 것이 많다.

짐 풀러 캘리포니아 공과대학 이론 천체물리학 교수는 별이 적색거성 단계에서 조용히 죽음을 맞이하는 것이 아니라 사실은 춤추듯 이동한다는 새로운 모델을 제시했다.

풀러 교수가 제안한 모델의 핵심은 별 표면에서 일어나는 무질서한 물질 방출과 그로 인한 반동 효과다. 현재 태양도 종종 강력한 표면 폭발인 코로나 물질 방출(CME)을 통해 수백억 톤의 물질을 우주로 뿜어낸다. 그런데 별이 적색거성으로 부풀어 오르면 중력이 약해져 물질 방출 규모는 훨씬 커진다.

이때 부풀어 오른 별 표면에서 물질 덩어리가 무작위적이고 비대칭적인 방향으로 튀어나가면, 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용)에 따라 별은 그 반대 방향으로 아주 작은 ‘킥’(반동)을 받게 된다. 풀러 교수는 “이 모델에서 부풀어 오른 별 표면에서 물질 덩어리가 비대칭적으로 무작위 방향으로 방출된다. 매번 그렇게 될 때마다 별은 그 반대 방향으로 작은 킥을 받는다”라고 설명했다.

흥미로운 대목은 이러한 작은 발동작이 누적되면서 나타나는 효과다. 풀러 교수의 계산에 따르면, 백색왜성이 되기 전 생애 마지막 단계에 있는 적색거성들은 수십만 년에 걸쳐 약 1만 번의 폭발을 일으킨다. 각각의 충격이 가해질 때마다 별은 초당 몇 미터의 속도로 이동하게 되는데, 이는 인간이 가볍게 조깅하는 정도의 속도로 매우 느린 수준이다.

그러나 수학적 모델을 통해 분석하면 방향은 무작위라도 시간이 지남에 따라 시작점에서 벗어날 확률은 높아진다. 예를 들어 어느 방향으로 이동할지 결정하기 위해 계속 동전을 던지다 보면 앞면과 뒷면이 나올 확률은 비슷해도 결국 시작점에서 벗어나게 되는 것과 비슷한 이치다. 3차원적으로 어느 방향으로든 폭발할 수 있는 별의 경우 이 변동성은 훨씬 커진다. 풀러 교수가 제시한 계산 결과, 1만 번에 걸친 작은 킥이 누적되면 별은 최종적으로 초당 약 1km라는 상당한 속도로 이동하게 된다.

이 모델은 쌍성계 해체의 수수께끼를 해결하는 실마리를 제시하고 있다. 카림 엘바드리 캘리포니아 공과대학 천문학 부교수는 별 두 개가 서로를 공전하는 쌍성계 중 한쪽 별이 적색거성 단계를 거쳐 백색왜성이 되면 두 별 사이의 거리가 멀어지는 현상을 관측했다.

풀러 교수의 모델은 그 이유를 쉽게 설명할 수 있다. 초당 1km라면 하루면 약 86.4km에 해당한다. 수만 년 누적되면 상당한 거리다. 따라서 초당 1km의 반동 속도가 두 별의 공전 속도보다 빠를 경우, 중력적 결합이 깨지면서 두 별이 서로 떨어지게 된다.

풀러 교수는 “쌍성의 공전 속도가 킥 속도와 같거나 그보다 작다면, 넓은 거리를 둔 쌍성은 중력적으로 결합이 풀리게 된다”며 “이 이론은 왜 쌍성계가 멀어지거나 해체되는지를 완벽하게 설명해 준다”고 강조했다. 엘바드리 교수 또한 “수년간 저를 괴롭혀 왔던 관측 현상을 설명할 수 있는 물리적 모델을 발견하게 되어 기쁘다”며 풀러 교수의 연구가 기존 관측 데이터를 뒷받침한다고 평가했다.

풀러 교수의 모델은 쌍성계의 해체뿐만 아니라 다른 가능성도 제시한다. 이동 방향은 무작위로 정해지기 때문에, 만약 반동의 방향이 동반성 쪽을 향하게 된다면 두 별이 충돌하여 거대한 폭발을 일으킬 수도 있다. 이는 향후 천문학자들이 우주를 관측할 때 확인할 수 있는 중요한 검증 포인트가 될 것으로 보인다. 이 연구 결과는 미국천문학회(AAS) 제248차 회의에서 발표됐으며 학술지에 논문이 제출된 상태다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com