[비즈한국] 우리 사회에 대한 자조적인 농담과 진담이 섞인 표현으로 ‘탈조선’이라는 말을 쓰곤 한다. 한국을 탈출해 더 나은 곳에서 삶을 새롭게 시작해보고 싶다는 복잡다단한 감정이 잘 농축된 표현이라고 생각한다. 그런데 고향을 벗어나 더 먼 세계로 가고 싶은 것은 우리뿐이 아니다. 흥미롭게도 은하수의 별들도 이런 탈출을 꿈꾼다. 자신이 나고 자란 우리 은하를 벗어나 더 먼 우주를 향해 탈출, 바로 ‘탈은하’를 꿈꾸는 별들이 있다. 

#탈출을 위해 필요한 건 바로 스피드 

우리 은하의 별들은 대부분 은하 중심의 육중한 초거대질량 블랙홀과 은하 자체의 육중한 질량에 붙잡혀 그 주변을 공전하고 있다. 태양의 경우 우리 은하 중심에서 약 3만 광년 거리를 두고 떨어진 채 약 2억 5000만 년을 주기로 은하 주변을 공전한다. 태양은 대략 은하 중심부 주변을 초속 약 200km 정도로 돌고 있다. 

수천억 개에 달하는 별들을 붙잡고 있는 은하의 강한 중력에서 벗어나려면 그 중력을 극복할 만큼 빠른 속도가 필요하다. 지구를 벗어나 우주 공간으로 로켓을 ‘탈지구’ 하기 위해 엄청난 양의 연료를 태워 지구 중력을 벗어날 수 있는 속도를 만들어내는 것과 같다. 즉 우리 은하의 강한 중력에 붙잡혀 은하수 주변을 맴돌고 있는 별이 탈은하의 꿈을 이루기 위해서는 그 강한 중력을 극복할 수 있을 만큼 빠른 은하 탈출 속도 이상의 빠른 속도를 확보할 수 있어야 한다. 

우리 은하 별들의 지도를 그리고 있는 가이아 위성이 2014년부터 2015년까지 1년간 관측한 데이터로 구현한 별들의 움직임 분포. 특히 초속 500km 이상으로 빠르게 움직이면서 우리 은하를 탈출하고 있는 별들의 궤적이 노란색으로 표현되어 있다. 영상=ESA/Gaia/DPAC

정말 우리 은하를 벗어날 만큼 빠른 속도로 날아가는 별들이 존재할까? 

놀랍게도 초속 1000km에 이르는 엄청난 속도를 자랑하며 우리 은하를 유유히 탈출하는 별들이 어렵지 않게 발견된다. 이런 초스피드 속도광 별들을 초고속 별(HVS, Hypervelocity stars)이라고 부른다.[1] 

최근 천문학자들은 우리 은하 수백만 별들의 정밀한 입체 지도를 그리고 있는 가이아(Gaia) 탐사선의 관측 데이터를 활용해 우리 은하 외곽에서 새로운 속도광 HVS를 발견했다. 이번에 포착된 LAMOST-HVS1은 태양보다 약 8.3배나 질량이 더 무거운 꽤 육중한 별로, 현재 우리 은하를 벗어나기 위해 대략 초속 553km나 속도를 내고 있다. 이는 인류가 지구 바깥으로 쏘아 보낸 로봇 탐사선 중 가장 빠른 속도를 자랑한 주노 탐사선보다 다섯 배 이상 더 빠른 속도다. 

HVS는 우리 은하 중심에서 게걸스럽게 물질을 빨아들이면서 막강한 중력을 자랑하는 초거대질량 블랙홀에 의해 속도를 얻는 경우가 많다. 블랙홀 주변의 강한 중력에 의해 빠른 속도를 얻었다가, 우연히 블랙홀 주변을 벗어나게 되면 그때 얻은 빠른 속도를 그대로 유지한 채 서서히 우리 은하 바깥으로 탈출한다. 우리 은하 중심의 초거대질량 블랙홀이 별들을 멀리 날려 보내는 투포환 선수와 같은 역할을 하는 것이다. 이때 우리 은하 바깥으로 쫓겨나는 HVS는 초거대질량 블랙홀의 힘자랑에 희생양이 되는 셈이다. 

그런데 이번에 새롭게 포착된 탈출 현행범 LAMOST-HVS1의 움직임은 기존의 블랙홀 힘자랑 시나리오로는 쉽게 설명이 되지 않는다. 이 별이 우리 은하에서 현재 자리한 공간상의 분포와 속도를 통해 궤도를 계산해보면, 이 ‘탈옥수’는 블랙홀이 숨어 있는 우리 은하 중심을 거쳐 온 게 아니라 그 외곽 일반적인 별들이 평범하게 맴돌면서 살고 있는 우리 은하의 원반부에서 튕겨져 날아온 것으로 보인다. 

#대체 무엇이 별들의 탈출을 돕고 있을까

이 탈옥수의 탈출 루트와 조력자를 찾기 위해 천문학자들은 이 별의 움직임을 거꾸로 추적했다. 약 3700만 년에 이르는 과거 행적을 파악했다. 조사 결과 LAMOST-HVS1 별은 상대적으로 별들이 밀집한 우리 은하 안쪽의 백조자리 나선팔 방향에 위치한 원반부에서 튀어나온 것으로 추정된다. 이처럼 별들의 밀도가 많은 밀집된 곳에서는 인접한 별들끼리 서로 중력을 주고받으면서 힘겨루기가 빈번하게 벌어진다. 

특히 LAMOST-HVS1 별의 경우, 우연히 훨씬 더 무거운 별 혹은 태양 질량의 1000배 이상 질량을 가진중간질량 블랙홀 곁을 여러 번 지나면서 서서히 속도를 얻어 지금의 빠른 속도를 확보한 것으로 추정된다. 이렇게 빠른 속도를 얻게 된 별들은 대부분 한번 그 속도를 얻게 되면 다시는 뒤도 돌아보지 않고 영원한 탈출을 향해 우리 은하 바깥으로 날아가게 된다. 특히 이 별은 표면온도가 아주 높은 분광형 B 타입의 별 중에서는 처음 발견된 탈옥수 별이다.[2]

쌍성이 블랙홀 곁을 지나면서 쌍성 중 별 하나가 블랙홀에 붙잡히고, 블랙홀에 붙잡히지 않는 다른 별이 엄청난 속도를 얻어 블랙홀 곁을 벗어날 수 있다. 영상=James Josephides(Swinburne Astronomy Productions)

이처럼 중심 블랙홀의 힘자랑 말고도 별들이 갑자기 속도를 얻어 우리 은하를 벗어나도록 도와주는 또 다른 조력자로 초신성 폭발이 있다. 우주의 절반에 해당하는 많은 별들은 혼자 있지 않고 곁에 다른 동반성을 두고 함께 중력적으로 엮인 경우가 많다. 그런데 짝을 짓고 있던 두 별 중 하나가 먼저 진화를 마치고 초신성이 되어 폭발하게 되면, 그때 곁에 있던 동반성은 폭발의 여파로 빠른 속도를 얻어 튀어나갈 수 있다.

이번에 새롭게 발견된 LAMOST-HVS1 별이 우리 은하 바깥으로 어떻게 탈출하는지를 보여주는 궤적. 영상=NASA-ATP

파트너가 초신성 폭발을 일으켰을 때 동반성이 얼마나 튀어나가는지를 천문학자들이 확인해본 결과, 약 93퍼센트에 이르는 아주 높은 비율이었다. 하지만 초신성 폭발이 초거대질량 블랙홀의 영향을 많이 받는 은하 중심부에서 일어난다면, 폭발의 여파로 속도를 얻었던 별이 끝내 우리 은하를 탈출하지 못하고 다시 은하 중심부로 붙잡혀 돌아올 수도 있다. 그래서 실제로 우리 은하 중심부에서 파트너 별의 갑작스런 초신성 폭발로 속도를 얻어 끝내 우리 은하를 벗어날 수 있는 별들의 확률은 최대 4~25퍼센트 정도에 이르는 것으로 추정된다. 이는 400만~2000만 년마다 한 번씩 우리 은하 바깥으로 별들이 탈출하는 비율에 잘 들어맞는다.[3]  

#우리 은하에서 가장 빠른 탈옥수는 누구일까

그렇다면 지금까지 발견된 HVS 중에서 가장 빠른 속도를 자랑하는 별은 누구일까? 2015년 처음 발견된 US 708을 우리 은하 내 최고의 속도광 탈옥수로 꼽을 수 있다. 

이 별은 현재 우리 은하 중심에서 약 2만 8000광년 거리를 두고 무려 초속 1200km로 날아가고 있다. 우주에서 가장 빠른 빛의 속도인 초속 30만 km의 약 30분의 1이 될 정도로 엄청난 속도다. 이 별에서는 너무나 빠른 속도로 인해 우주의 다른 곳보다 시간이 느리게 흘러가는 상대론적인 효과가 아주 유의미하게 벌어지고 있을 것이다. 

천문학자들은 2005년부터 우리 은하 내 HVS를 찾는 탐사 프로젝트를 본격적으로 진행했다. 여기서 포착된 US 708의 속도를 측정하기 위해 천문학자들은 이 별의 스펙트럼을 관측했다. 별이 우리에게서 멀어지면 별의 스펙트럼이 붉은 쪽으로 치우치고, 가까운 쪽으로 다가오면 스펙트럼 파장이 짧은 푸른 쪽으로 치우치는 도플러 효과를 활용해 별의 운동 방향과 속도를 잴 수 있다.

당시 측정된 엄청난 적색편이의 정도를 바탕으로 추정된 별의 속도는 초속 900km 정도였다. 하지만 도플러 효과로 알 수 있는 이 속도는 단순히 우리 시선 방향에 나란한 속도 성분만 알 수 있다. 별이 우주 공간에서 실제로 움직이는 입체적인 속도를 알기 위해서는 이 도플러 효과로 추정한 시선 속도와 함께 밤하늘에서 위치가 변화하는 고유운동을 함께 고려해 속도를 합산해야 한다. 그렇게 추정된 속도가 바로 초속 약 1200km였다.

최고 속도를 자랑하는 US 708 역시 현재 놓여 있는 공간상의 위치와 속도를 비교했을 때, 은하 중심 초거대질량 블랙홀의 힘자랑에 의해 튀어나온 것으로는 추정되지 않았다. 최고 탈옥수 별 역시 과거 초신성 폭발을 일으킨 별과 함께 쌍성으로 존재했던 것으로 추정된다. 중력적으로 엮여 있던 파트너별이 먼저 빠른 속도로 진화를 끝내고 Ia형 초신성 폭발을 일으키면서 엄청난 속도를 얻었다. 

그런데 이렇게 빠른 속도로 별을 밀쳐내기 위해서는 초신성 폭발한 동반성이 죽기 직전에 엄청난 속도로 자전을 하고 있어야 한다. 그래야 그 운동량을 그대로 전달 받아 빠른 속도로 튕겨져 날아갈 수 있기 때문이다. 현재 US 708 별의 속도로 추정할 때, 파트너 별은 거의 10분 주기로 아주 빠르게 자전했어야 한다. 

우리 은하 중심부에 있는 초거대질량 블랙홀 곁을 떠도는 별들의 분포. 오래전까지 대부분의 HVS는 이런 블랙홀 곁에서 만들어진다고 생각했지만, 최근까지 발견된 속도광 별들은 초신성 폭발의 여파로 만들어지는 경우가 더 많다. 영상=ESO/L. Calçada/spaceengine.org

만약 이 속도광 별이 파트너 별의 Ia형 초신성 폭발의 여파로 튀어나온 것이라면, 이는 기존에 알려진 고전적인 Ia형 초신성과는 다른 종류의 초신성이 존재할 수 있음을 암시한다. 일반적인 Ia형 초신성은 육중하던 적색 거성이 아주 작은 크기로 응축해서 백색왜성이 된 후, 곁의 동반성에게서 계속 질량을 뺏어오다가 특정한 질량 한계치인 찬드라세카르 한계를 넘어서면 폭발하면서 만들어진다고 추정한다.[4] 

하지만 US 708 별은 아주 높은 밀도로 뭉쳐 있고 표현온도가 아주 높은 O형의 왜성이다. 이 별은 적색거성과 마찬가지로 중심에 헬륨 핵을 갖고 있고 그 바깥은 수소 층으로 덮여 있다. 만약 초신성이 되기 직전 서서히 살을 찌워가고 있던 백색왜성 곁에 US 708과 같은 별이 있었다면, 이 별 중심부에 있는, 폭발 화력에 더 효율이 좋은 헬륨이 백색왜성의 먹방 재료가 되면서 백색왜성이 찬드라세카르 한계 이상으로 무거워지기 전에 초신성 폭발을 일으킬 수도 있다. 

실제로 기존에 알려졌던 것과 달리 백색왜성이 파트너 별에게서 빼앗아 먹는 물질의 화학적 성분, 재료에 따라 백색왜성이 초신성이 되어 폭발하는 순간의 질량이 달라질 수도 있다는 가설이 오랫동안 제기됐다. 찬드라세카르 한계 이하 질량에서 초신성이 폭발할 경우 기존에 알려진 Ia형 초신성과는 밝기가 다르며, 이러한 타입을 Iax형 초신성으로 분류하기도 한다. 이미 오랫동안 Ia형 초신성은 그 폭발의 최대 밝기가 일정하다고 가정하고 우주의 규모와 거리를 측정하는 표준 촛불 천체로서 활용했다. 따라서 만약 초신성의 밝기가 조금씩 다를 수 있다면 이는 먼 우주까지의 거리를 재는 데 활용했던 Ia형 초신성의 위상이 크게 흔들릴 수도 있다.(관련 기사 [사이언스] 우주 가속팽창과 아인슈타인의 '흑역사')[5]

결국 이렇게 각자의 은하계를 탈출한 별들은 아무런 은하에도 구속되지 않은 채, 은하와 은하 사이 우주의 텅 빈 공간을 부유하며 자유롭고도 외로운 기나긴 여정을 이어가고 있을 것이다. 그리고 대부분의 탈옥수 별들은 텅 빈 공간을 부유하다가 수명이 다해 차갑게 식어버릴 것이다. 수명이 아주 긴 일부 별들만 오래도록 살아남아 다른 은하에 다다르면, 원래의 고향 은하와는 다른 두 번째 은하에서 새로운 삶을 시작하게 될 것이다. 별들이나 사람이나 고향을 벗어나는 일은 쉽지 않다. 운 좋게 탈출에 성공한다 하더라도 결국 그 역마살의 종착지가 어디가 될지는 우주의 운명에 달렸을 뿐이다. 

[1] https://www.nature.com/articles/331687a0

[2] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ApJ...873..116H/abstract

[3] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/771/2/118

[4] https://science.sciencemag.org/content/347/6226/1126

[5] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/767/1/57

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​

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