[비즈한국] 최근 오리온자리 베텔게우스가 눈에 띄게 밝기가 변화하면서 초신성 폭발을 앞두고 있다는 전조 현상이 아닐까 하는 의심을 받고 있다. 어쩌면 꽤 가까운 거리에서 초신성 폭발의 장관을 현생 인류가 목격할 수 있을 것이란 기대가 피어나고 있다. 그런데 그리 멀지 않은 과거, 베텔게우스보다 더 가까운 거리에서 폭발했던 지구 근접 초신성(Near-earth supernova)의 흔적이 새롭게 확인되고 있다. 

어쩌면 지구 주변에서 폭발하는 초신성은 베텔게우스가 처음이 아닐지도 모른다. 과연 그 흔적은 어디에 남아 있을까?

#태양계는 텅 빈 가스 거품 속에 갇혀 있다 

태양계 주변 우주 공간을 관측하던 천문학자들은 우리 태양계가 거의 아무것도 없는 텅 빈 가스 거품 속에 갇혀 있다는 것을 발견했다. 지상의 광학 망원경과 전파 망원경으로는 아무것도 보이지 않았지만, 뒤이어 우주로 올라간 엑스선 망원경들은 태양계 주변 사방에서 쏟아지는 선명한 엑스선 신호를 검출했다. 

이는 우리 태양계가 아주 밀도가 낮고 온도가 높은 커다란 거품과 같은 공동 속에 갇혀 있다는 것을 의미한다. 천 리터 용량의 탱크로리에 원자 하나가 들어 있는 수준으로 밀도가 아주 낮다. 천문학자들은 태양계 주변 약 300광년 크기의 땅콩 모양으로, 둥근 거품이 두 개가 맞붙어 있는 이 거품을 로컬 버블(Local Bubble)이라고 부른다. 

먼지가 가득 쌓여 있는 바닥에 바람을 후 불어넣으면 먼지가 둥글게 불려 나가면서 둥근 빈 공간이 만들어진다. 우리 태양계를 에워싸고 있는 이 거대한 로컬 버블도, 마치 무언가 과거에 성간 가스 물질들을 불어 밀어내면서 만들어낸 텅 빈 공간처럼 보인다. 그렇다면 대체 왜 우리 태양계는 이런 거품 속에 갇히게 되었을까? 

최근 천문학자들은 바로 이 로컬 버블이 그리 멀지 않은 과거에 태양계 주변에서 폭발했던 초신성이 남긴 흔적이라고 추정한다.[1][2] 

이 로컬 버블은 가시광과 전파에서는 신호가 약하지만, 엑스선으로 관측하면 사방에서 강한 신호가 검출된다. 분명 과거에 강한 엑스선을 방출하면서 태양계 주변 성간의 우주 먼지들을 밀어내며 둥근 공동(Void)을 만들어낸 우주적인 이벤트가 있었음을 암시한다. 하지만 이러한 엑스선 신호는 초신성 폭발이 아닌 태양풍에 의해서도 만들어질 수 있다. 

태양에서 불어나온 태양풍 속 전기를 띤 이온 입자들이 우주 공간 속을 떠돌던 중성 가스 원자 곁을 지나면서 중성 원자의 전자를 뺏어온다. 이러한 전하 교환(Charge Exchange) 과정에서 중성 원자의 전자를 훔쳐온 태양풍의 이온 입자는 엑스선을 방출한다. 그래서 천문학자들은 우리 태양계를 가득 에워싼 이 거대한 로컬 버블 속 엑스선이 과연 태양풍에 의한 것인지, 아니면 정말 초신성 폭발이 남긴 것인지를 확인하기 위해 엑스선 검출기를 지구 바깥 우주로 띄웠다. 

2012년 작은 사운딩 로켓에 실려 우주로 올라간 DXL(Diffuse X-rays from the Local Galaxy) 미션은 지구 너머로 퍼져나가는 태양풍 속 엑스선의 흔적을 검출했다. 그 결과 흥미롭게도 로컬 버블 속의 엑스선 흔적 중 40퍼센트 정도가 태양풍에 의한 것으로 확인되었다. 이를 제외한 나머지 60퍼센트는 태양풍이 아닌 다른 원인, 바로 과거 이 주변에서 폭발했던 초신성의 흔적으로 추정할 수 있다![3]

DXL의 관측 데이터를 바탕으로 태양풍에서 불어나온 태양풍 입자들의 전하 교환에 의해 발생하는 엑스선의 양을 측정했다. 태양계 자체가 우리 은하 공간 속을 부유하면서 그 움직이는 방향 뒤로 퍼져나가는 엑스선의 흔적을 추적해 태양풍에 의한 효과를 파악했다. 영상=NASA

현재 천문학자들은 로컬 버블 속 엑스선의 분포와 전체 범위를 볼 때 300~400광년 정도 떨어진 꽤 가까운 곳에서 지금으로부터 약 200만~300만 년 전에 초신성 하나가 폭발한 것으로 추정하고 있다. 이는 현재 겨울철 밤하늘에서 갑작스럽게 밝기가 어두워지면서 곧 초신성 폭발을 하지 않을까 기대하는 베텔게우스(거리 640광년)보다 무려 절반 이하로 더 가까운 거리다. 

정말로 이렇게 가까이에서 초신성이 폭발했다면 분명 지구에도 그 영향이 적지 않았을 것이다. 물론 당장 초신성 폭발의 충격파에 휩싸여 행성이 다 날아갈 정도로 위험한 ‘킬러 존’에 지구가 들어와 있던 것은 아니기 때문에 다행히 지금까지 잘 살아남아 있지만, 분명 이 폭발은 지구에 흔적을 남겼을 것이다. 그리고 흥미롭게도 최근 지구와 달 표면에서 이 초신성의 흔적으로 보이는 징후가 발견되었다. 

#지구와 달에 남아 있는 초신성의 낙진 

초신성이 폭발할 때는 철과 같은 무거운 원소들이 만들어진다. 철은 보통 질량수가 56인 철 56이 대부분이다. 그보다 질량이 조금 더 작거나 무거운 동위원소들도 있지만, 훨씬 불안정하고 반감기가 짧기 때문에 드물다. 이러한 동위원소 중에는 초신성이 터질 때 만들어지는 철 60도 있다. 

흥미롭게도 과거 아폴로 미션 때 달에서 가지고 온 달 표면의 샘플과 태평양 깊은 바다 퇴적층에서 바로 이 철 60의 흔적이 발견되었다. 채취한 토양과 암석의 연령에 따라서 그 안에서 검출된 철 56 대비 철 60의 함량을 비교해보면 더욱 흥미로운 사실을 확인할 수 있다. 나이가 약 200만 년 정도 된 암석에서 유독 철 60의 상대적인 함량이 높게 나타난다. 800만 년 된 암석에서도 작지만 살짝 높은 함량이 확인된다.[4] 

이러한 경향은 달 표면 샘플과 태평양 심해 퇴적층에서 모두 동일하게 나타난다. 즉 분명 지금으로부터 약 200만 년 전 지구와 달 표면에 철 60이라는 흔치 않은 동위원소를 흩뿌린 어떤 우주적인 이벤트가 벌어졌음을 암시한다. 이 200만 년 전이라는 시기는 앞서 로컬 버블의 관측을 통해 별도로 추정한 지구 주변 초신성의 폭발 시기와 비슷하다. 

천문학자들은 현재 지구와 달 표면에 남아 있는 이 철 60의 흔적을 통해서 초신성의 모습을 추정했다. 행성상 성운 형태의 가스 구름을 남기기 직전 별이 점점 크게 부풀어 오르는 점근 거성(AGB, Asymptotic Giant Branch) 별이나, 백색왜성이 폭발하는 Ia형 초신성 폭발도 철 60을 남기기는 한다. 하지만 이러한 종류의 폭발이 남기는 철 60의 함량은 상대적으로 적기 때문에 현재까지 지구와 달 표면에 그 흔적을 남기기 위해서는 훨씬 더 가까운 10~30광년 정도 거리 안에서 이러한 폭발이 있었어야 한다. 

무거운 별이 중성자별로 붕괴하면서 일으킨 핵 수축 초신성 폭발에 의해 주변에 충격파를 불어내는 모습을 구현한 시뮬레이션. 위에 실제 시간의 흐름이 함께 표현되어 있다.

하지만 아직까지 지구가 무사한 것을 보면, 지구와 달에 철 60을 흩뿌렸던 이벤트는 이렇게 가까이에서 벌어진 것은 아닌 듯하다. 이러한 가능성을 빼고 나면 남는 한 가지 가능성은 바로 육중한 별이 그 중심 핵으로 붕괴하면서 폭발하는 핵 수축 초신성(CCSN, Core-collapse Supernova)이다. 

현재 천문학자들은 태양보다 10~20배 정도 더 질량이 무거웠던 별이 약 300광년 거리에서 초신성이 되어 폭발했고, 그 당시 발생한 철 60과 같은 초신성의 별 먼지가 우주 공간을 날아와 지구와 달 표면에 그 흔적을 남겼던 것으로 추정하고 있다.[5] 

#인류는 초신성 덕분에 진화했다 

물론 300광년이라는 거리는 아주 먼 거리다. 하지만 가장 가까운 별이 4광년이나 떨어져 있는 우주 전체적인 관점에서 보면 300광년 정도의 거리는 그리 멀지 않은 거리다. 게다가 태양이 수백만 년 동안 만들어내는 에너지를 순식간에 토해내는 아주 강력한 초신성 폭발과 같은 현상이 이런 가까운 거리에서 벌어졌다면, 분명 지구에도 다양한 영향을 끼쳤을 것이다. 

현재 많은 이들의 관심을 받고 있는 오리온자리의 베텔게우스가 정말 폭발하게 된다면 지구의 밤하늘에서도 어렵지 않게 볼 수 있을 것이다. 물론 아직 터지지도 않은 초신성의 실제 밝기 변화를 예측하는 것은 아주 어렵다. 하지만 천문학자들은 아주 최근인 1987년 마젤란은하에서 폭발한 초신성 1987A의 당시 밝기 변화 양상을 토대로 베텔게우스 초신성의 밝기 변화를 추정했다. 

만약 지구의 밤하늘에서 그 모습을 보게 된다면 베텔게우스는 반달 정도의 밝기, 보름달에 비해서는 9배 정도 어두운 밝기에 도달할 것으로 추정된다. 물론 넓은 달 원반에 밝기가 퍼져 보이는 달과 달리, 베텔게우스는 모든 밝기가 한 점에 집중되어 있는 점광원, 별이다. 따라서 밝기의 밀집도가 더 높아서, 금성보다 더 밝게 약 세 달 동안 지구의 밤하늘에서 어렵지 않게 볼 수 있을 것이다. 

일부 동물학자들은 이처럼 갑자기 밤하늘에 새로운 밝은 천체가 나타나면 하늘의 달빛이나 별을 보고 방향을 잡는 곤충이나 새들에게 영향을 줄 수 있다고 이야기한다. 초신성 폭발이 단순히 중성미자나 엑스선, 감마선 등 전자기파 형태의 영향만 줄 뿐 아니라 직간접적으로 지구 동식물의 생태에도 영향을 줄 가능성이 있다는 흥미로운 주장이다. 

게다가 이런 가까운 곳에서 터진 초신성 폭발이 인류의 진화에 지대한 영향을 주었을지도 모른다는 추측도 있다. 이처럼 가까운 곳에서 터진 초신성 폭발은 아주 강한 에너지로 날아오는 우주선 입자들을 방출한다. 이때 날아온 일부 우주선 입자들이 지구 대기권의 분자를 때리면서 지구 대기권 분자들은 전자를 더 많이 잃거나 얻게 된다. 그러면 지구 대기권 분자들은 전기적으로 더 강한 전하를 띠게 되며, 땅과 구름 사이를 오고 가는 전류의 흐름이 더 빈번해지면서 번개가 자주 일어날 수 있다. 

일부 천문학자들은 약 200만 년 전 지구와 달을 휩쓸었던 바로 그 초신성 폭발의 여파로 당시 지구에 번개가 더 자주 내리쳤고 그 결과 지구 곳곳의 숲과 산에 산불이 자주 일어났을 것이라 추측한다. 결국 당시까지 주로 나무 위에서 생활하던 인류의 조상들은 더 이상 타고 다닐 나무가 대부분 사라지면서 땅 위로 내려올 수밖에 없었고, 초신성이 야기한 예상치 못한 진화 압력(evolution pressure)으로 인해 두 발로 걷게 되었다는 것이다.[6] 

천문학자 칼 세이건이 이야기했듯이, 우리는 모두 초신성이 남긴 별 먼지가 모여 만들어진 존재다. 빅뱅 직후 지금까지, 지난 130억 년이 넘는 긴 세월에 걸쳐 수많은 초신성이 터졌고 그 폭발이 남긴 다양한 무거운 원소들이 모이고 모여 우리가 만들어졌다. 우리 몸속에는 초신성들의 유훈이 고스란히 새겨져 있다. 

하지만 어쩌면 초신성의 역할은 단순히 지구 생명체를 만드는 재료를 남기고 가는 데에서 지나지 않았던 것일지 모른다. 그 별 먼지가 모여 만들어진 과거 인류의 조상들은 갑자기 지구 하늘에서 폭발한 초신성 덕분에, 허리를 펴고 두 손에 자유를 얻게 되었을지 모른다. 초신성은 자유로워진 두 손에 도구를 쥐어준 셈이다. 그렇게 직립보행을 시작한 인류는 이후로도 초신성이 남겨준 철과 같은 금속을 활용해 보다 더 발전된 기술 문명에 도약할 수 있었다. 우리는 지금 이 순간에도 초신성에게 빚을 지고 살아가는 셈이다. 

피카소는 “모든 창조적 행위는 파괴로부터 비롯된다(Every act of creation is first an act of destruction)”는 말을 남겼다. 이 우주에 존재하는 우리 역시 예외는 아닐 것이다. 우리는 물론 의도하지는 않았지만, 우리가 우주에 태어나는 그 순간부터 우리를 위해 터지고 사라졌던 많은 별들, 그간 파괴되어온 수많은 우주 속 존재들에 대한 책임을 짊어지고 살게 되는 건 아닐까? 누군가에게는 안타까운 파괴의 순간이 다른 누군가에게는 새로운 창조를 꽃피우는 순간이 될 수도 있다는 우주의 역설적인 운명을, 초신성들은 자신을 희생하며 이야기해주고 있다. 

[1] https://www.nature.com/articles/nature17424

[2] https://www.nature.com/articles/nature13525

[3] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasa-funded-sounding-rocket-solves-one-cosmic-mystery-reveals-another

[4] https://arxiv.org/pdf/1903.04589.pdf

[5] https://www.nature.com/articles/nature17196

[6] https://www.journals.uchicago.edu/doi/pdfplus/10.1086/703418

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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