[사이언스] '별 먼지' 인류는 초신성 폭발을 볼 수 있을까

[비즈한국] 벌써 밤이 되면 날씨가 쌀쌀하다. 또 다시 지구는 공전 궤도를 한 바퀴 완주하며, 겨울이 시작하고 있다. 특히 겨울은 1년 중 가장 날씨가 맑고 청명해서 별을 즐기기에 아주 좋은 계절이다. 물론 추위로 고생하기는 하지만, 겨울철 밤하늘이 허락하는 맑은 하늘은 절대 놓칠 수 없다. 

특히 매년 겨울이 오면 나는 오리온자리의 별들을 유심히 살펴본다. 그 중에서도 붉게 빛나는 밝은 별, 베텔기우스(Betelgeus)를 항상 바라본다. 제발 운이 따라주어서 수명이 다한 그 별이 엄청난 폭발과 함께 사라지는 모습을 목격하기를 바라는 마음으로. 

#역대급 ‘관종’ 예비 후보, 베텔기우스 

베텔기우스는 지구에서 약 640광년 거리에 떨어진 비교적 가까운 별로 겨울철 밤하늘을 수놓는 사냥꾼 오리온의 한쪽 겨드랑이를 맡고 있다. 베텔기우스라는 이름이 꽤 아름답게 들리기도 하지만, 사실 그 뜻은 겨드랑이 또는 어깨라는 뜻이다. 만약 우리나라에서 먼저 똑같은 생각으로 이 별의 이름을 지었다면 아마 ‘겨별’ 같은 이름을 붙이지 않았을까 싶다. 

매년 겨울이 오면, 항상 베텔기우스를 주목하는 이유는 특히 이 별이 거의 수명이 다 끝나가면서 곧 죽게 될 운명에 처한 별이기 때문이다. 현재 베텔기우스는 우리 태양보다 무려 800배나 더 지름이 큰 아주 거대한 적색초거성이다. 이 별이 태어나던 당시에는 태양보다 약 20배 정도 더 무거운 질량이 모여서 만들어진 것으로 추정된다. 

보통 별은 질량이 더 무거울수록 일생 동안 핵융합을 통해 태울 수 있는 땔감의 양도 많아지지만, 동시에 그 많은 땔감을 태우는 효율도 훨씬 더 빠르게 증가하기 때문에 아주 빠른 속도로 땔감을 소진한다. 그 결과 별은 질량이 더 무거울수록 더 짧은 수명을 갖게 되며 단명하는 삶게 된다. 베텔기우스의 육중한 질량으로 유추해보면, 이 별의 수명은 약 700만~800만 년 정도로 추정된다. 게다가 현재 베텔기우스의 모습을 통해 이 별이 현재 어떤 진화 단계를 겪고 있는지를 보면, 그 수명이 거의 다 끝나가고 있는, 곧 죽어도 전혀 이상하지 않은 진화 막바지를 걷고 있는 것으로 보인다.[1] 

우주에 있는 다양한 별들의 크기를 비교하는 영상. 우리 태양보다 훨씬 작은 크기와 높은 밀도로 뭉쳐 있는 중성자별부터 시작해, 태양과 같은 일반적인 별들을 거쳐, 베텔기우스를 비롯한 아주 거대한 초거성까지 다양한 크기의 별들을 체감할 수 있다.

그래서 천문학자들은 실제로 ‘조만간’ 베텔기우스가 초신성이 되어 폭발하며 그 모습을 지구에서도 목격할 수 있으리라 기대하고 있다. 아마 베텔기우스가 정말 폭발한다면, 비교적 아주 가까운 거리에서 초신성 폭발이 일어나는 드문 현상이기 때문에 지구에서도 아주 뚜렷하게 그 모습이 목격될 것이다. 폭발의 섬광이 가장 밝아지는 순간에는 보름달에 버금갈 정도로 밝은 형상으로 나타나 일주일 넘게 하늘에서 목격될 수 있다. 심지어 그 밝기가 너무나 밝아서 대낮에도 어렵지 않게 찾을 수 있다. 

물론 여기서 한 가지 주의할 점이 있다. 원체 통이 큰 천문학자들이 이야기하는 ‘조만간’이란 단어의 뜻은 우리가 일상에서 사용하는 것과는 다르다. 천문학자들에게 ‘조만간’이란 ‘조 년과 만 년 사이’를 의미한다. 넓게 보면 베텔기우스는 앞으로 수십만 년 안에는 반드시 폭발할 것으로 추정된다. 

오리온자리의 베텔기우스가 실제로 곧 폭발하게 된다면, 그 모습을 지구에서 어떻게 보게 될지를 담고 있는 시뮬레이션 영상. 그 밝기가 너무 밝아서 보름달보다 더 밝은 모습으로 일주일 넘게 볼 수 있다.

김이 빠지지만, 정말 수십만 년을 꽉꽉 채우고 다 진화가 끝나고 나서야, 먼 미래에 폭발할지도 모른다. 우리는 아쉽게도 베텔기우스의 폭발 순간을 볼 수는 없겠지만 우리의 한참 먼 후손들은 그 멋진 광경을 볼 수 있을지 모른다. 어쩌면 정말 운 좋게 당장 내일 갑자기 베텔기우스의 폭발을 보게 될지도 모른다. 

더욱 재밌는 상황은, 사실 이미 베텔기우스는 폭발해버렸지만, 이 별에서 지구까지 거리가 있다보니 아직 폭발 순간의 빛이 지구로 도착하지 않은 상황일 수도 있다. 우리는 여전히 겨울철 밤하늘에서 겨드랑이를 온전하게 갖고 있는 오리온자리를 목격하고 있지만, 실제로는 베텔기우스는 이미 폭발과 함께 사라진 별일 수도 있다. 어쩌면 우리는 언젠가부터 오리온자리의 겨드랑이 별에서 날아온 허상을 보고 있을 뿐, 실제로는 그 별은 우주에 존재하지 않을지도 모른다. 

정확히 지구의 밤하늘에서 베텔기우스가 언제 이런 멋진 광경을 선사할지를 예측할 수는 없다. 하지만 한 가지 확실한 것은 분명 베텔기우스의 장엄한 최후를 목격하게 된다면, 그것은 오래전 우리의 구성 성분들을 만들었던 것과 동일한 초신성의 폭발을 직접 목격하면서, 우리가 이 우주에 어떻게 존재할 수 있게 되었는지를 추억할 수 있게 해주는 가장 멋진 경험이 될 것이란 점이다. 

#초신성은 얼마나 자주 폭발할까?

그렇다면 무거운 별이 최후를 맞이하며 선사하는 이 장엄한 장면을 우주에서는 얼마나 자주 목격할 수 있을까? 한 별의 일생은 감히 인간의 짧은 수명으로 비견하지 못할 정도로 아주 길다. 아무리 수명이 짧은 단명하는 별이라 하더라도 최소 수백만 년 스케일의 삶을 살기 때문이다. 보통 우리 은하 정도로 3000억 개 정도의 태양을 품고 있는 질량의 은하들에서는 약 50년마다 한 번씩 초신성이 폭발하는 것으로 추정된다. 

하지만 그런 별들이 우주에는 워낙 많은 덕분에 사실 수백만 년까지 기다릴 필요는 없다. 우리 은하 바깥의 외부은하에서는 매년 새로운 초신성 폭발을 목격하고 있다. 한 사람에게 로또 1등 당첨의 기회가 올 확률은 아주 낮더라도, 복권을 사는 사람의 수가 너무나 많기 때문에 매번 쉬지 않고 당첨자가 나오는 것과 같다.[2] 

지난 약 30년에 걸쳐 기록되고 관측되었던 초신성 폭발들의 모습을 보여주는 영상. 초신성 폭발이 일어났던 자리의 좌표와 그 당시 폭발 밝기 등이 잘 묘사되어 있다. 이처럼 초신성 폭발 자체는 그다지 드문 현상은 아니다. 시간이 흘러올수록 초신성 폭발 빈도가 더 잦아지는 것처럼 보이는데, 이것은 실제로 초신성이 더 자주 폭발한 것이 아니라 관측 기술과 영역이 더 좋아지면서 더 자주 초신성 폭발을 관측할 수 있게 되었기 때문이다.

실제로 오래전 고대나 중세 역사 속에도 과거 하늘에서 갑자기 밝은 섬광을 남기며 나타나는 흥미로운 천체에 관한 기록들이 많이 발견된다. 과거 서양에서는 이런 폭발하는 별들을 보면 새로운 별이 나타났다는 뜻에서 신성(Nova)이라고 불렀다. 과거 우리나라를 포함한 중국 등의 동양 문화권에서는 새로운 손님 별이 하늘에 찾아왔다는 뜻에서 ‘객성(guest star)’이라는 이름으로 부르기도 했다. 

과거 역사 속에 ‘갑자기 새로운 별이 나타났다’라는 기록이 남아 있는 방향의 하늘을 살펴보면, 지금은 그 폭발이 남기고 간 가스 잔해 구름을 확인할 수 있다. 천문학자들은 이 초신성 잔해의 가스 구름 덩어리들이 폭발의 중심에서 얼마나 빠른 속도로 계속 퍼져나가고 있는지 그 역학적 움직임을 관측한다. 그리고 이를 통해 시간을 거꾸로 되돌려서 잔해 파편들이 폭발 중심에서 퍼져나가기 시작했을 시간, 바로 폭발이 일어났던 정확한 시기를 추적할 수 있다.[3] 

천문학자들의 파악한 폭발 시기와 실제로 그 위치에서 기록되어 있는 역사 속 폭발 시기가 잘 들어맞는 사례들도 많다. 우리 은하에서 가장 어린, 최근에 형성되었던 초신성 잔해로 유명한 카시오페이아 A(Cassiopeia A)는 대략 1680년경, 그리고 인상적인 거대한 게딱지 모양을 하고 있는 게 성운(Crab Nebula)은 약 1054년경에 폭발했다. 우리나라와 중국 등 동서양을 막론하고 여러 문화권에서 이 당시의 폭발을 목격했던 생생한 기록을 많이 남겨놓았다. 이런 기록들을 보면 우리 은하에서도 심심치 않게 아주 가끔씩 우리가 눈으로 목격할 수 있을 정도로 가까운 거리에서 밝게 터지는 초신성들의 우주 쇼가 있었다는 것을 알 수 있다.[4] 

#언제 터졌지? 아직 남아 있는 논란 속 폭발 기록

하지만 이외에 여전히 역사 기록과 천문학자들의 추정치가 어긋나면서, 정확한 폭발 시기를 밝히지 못하고 있는 논란 속의 초신성 잔해들도 많이 남아있다. 천문학자들은 2000년부터 2013년까지 긴 기간에 걸쳐 찬드라 엑스선 망원경(Chandra X-ray Observatory)과 팔로마 5m 헤일 망원경(Palomar 5-meter Hale Telescope)을 이용해 G11.2-0.3라는 이름의 초신성 잔해 속 구름 파편들의 움직임을 관측했다. 기록 속에 남아 있는 폭발했던 별의 위치와 비슷한 곳에 잔해가 남아 있었기 때문에, 이전까지 이 초신성 잔해는 중국의 고대사에서 약 386년에 목격했다고 기록되어 있는 초신성이 남긴 잔해라고 추정해왔다. 

하지만 실제로 이 초신성 잔해의 움직임과 그 주변 가스 먼지에 의해 별빛이 차단되는 효과를 계산해보았을 때, 386년에는 너무 높은 밀도의 먼지 구름으로 중심 별이 에워싸여 있었기 때문에 그 밝기가 너무 어두웠던 것으로 추정된다. 옛날 사람들이 맨눈으로는 절대 목격할 수 없었다는 사실이 새롭게 확인되면서 오랫동안 이 초신성 잔해의 기원은 수수께끼로 남게 되었다. 하지만 새롭게 관측해 파악한 초신성 잔해가 팽창해나가는 속도 분포를 통해 추정한 결과, 이 초신성 잔해는 지금으로부터 약 1400년 전에서 2400년 전 사이에 폭발했을 것으로 추정된다. 

역사 문헌 속에는 분명 초신성 폭발에 버금가는 엄청난 순간이 분명하게 기록되어 있지만, 하늘에서 그 초신성 폭발이 남긴 것으로 추정되는 잔해가 발견되지 않는 경우들도 있다. 과거 기록에 따르면 1843년경, 갑자기 하늘에 밝은 별이 나타났다고 기록하고 있다. 하지만 이 당시 기록에서 이야기하는 하늘의 주변을 찾아봐도, 이 시기 즈음에 폭발했을 것으로 보이는 초신성 잔해는 찾을 수 없었다.  

그런데 최근 천문학자들은 당시 우리의 조상들이 목격했던 것이 실제 초신성이 아니라, 무거운 별이 잠깐씩 밝기가 밝아지면서 초신성 흉내를 내는 ‘사기꾼 초신성(Supernova imposter)’이었을 가능성을 새롭게 확인했다. 육중한 별은 태양처럼 펄펄 끓어오르면서 주변에 아주 빠른 속도로 에너지와 물질을 토해내는 항성풍(Stellar wind)을 일으킨다. 그런데 별의 안쪽에서부터 밀려나가는 물질들의 별의 외곽 층을 빠른 속도로 순식간에 밀어내면, 순간 초신성 폭발로 착각할 만큼 밝기가 아주 밝아지는 변화를 겪게 된다. 이는 질량이 무거운 별이 내부의 핵융합 연료를 빠르게 소진해가는 과정에서, 진화 막바지에 겪는 격렬한 내부 폭발 현상으로 아마도 과거 우리의 조상들은 이 현상을 목격했을 가능성이 있다. 

실제로 역사 기록에서 가리키는 영역에서 잘 찾아보면, 거대한 조랭이 떡 혹은 눈사람 같은 모습을 하고 있는 용골자리 에타(Eta Carinae) 별 주변의 난장이 성운(Homunculus Nebula)을 찾을 수 있다. 이는 아주 질량이 무거운 별이 죽기 직전의 단계를 거쳐가면서 주변에 조랭이 떡 모양으로 물질을 토해내고 있는 장엄한 순간이다. 아마도 우리 조상들은 용골자리 에타 별이 서서히 죽음을 향해 달려가는 과정에서 보여준 강렬한 섬광을 목격했고 그것을 기록했을 것이다.[6] 

#베텔기우스, 네 진가를 보여줘! 

오리온자리처럼 비교적 가까운 별이 초신성이 되어 폭발한다고 해서, 그 폭발에 우리 지구가 휩싸여 멸망하지는 않을지 걱정할 필요는 없다. 물론 초신성 폭발에서 퍼져나간 여러 무거운 원소 잔해들이 서서히 우주 공간을 타고 결국 태양계 주변 공간까지 날아와 뒤섞일 수는 있을 것이다. 아마 먼 미래가 되면, 오리온자리의 겨드랑이 별, 베텔기우스의 폭발이 남긴 ‘초신성 화산재’를 지구에서도 주워담을 수 있게 될 것이다. 

“우리는 모두 별 먼지다(We are all star stuff).” -천문학자 칼 세이건 

단언컨대 이 지구에 존재하는 우리는 모두 단 하나의 초신성 폭발이 남긴 잔해에서 만들어졌다. 우리 몸속에 있는 칼슘과 탄소, 나트륨 등 이 세상에 존재하며 우리를 살아있게 해주는 모든 성분을 만들 수 있는 곳은 우주에 단 한 곳밖에 없다. 바로 초신성의 폭발뿐이다. 

우리는 모두 초신성이 남긴 유훈이며, 그 초신성을 공통조상으로 두고 있는 천문학적인 먼 친척이다. 그렇기에 나는 올겨울에도 하늘을 바라보며 오리온자리 아래에 선다. 부디 올겨울에는 베텔기우스의 장엄한 최후, 그 폭발 순간을 목격할 수 있게 되기를. 그리고 그것을 통해 우리 모두가 한동안 잊고 있었던, ‘우리는 현재 이 역동적인 우주 속에 존재하고 있는 별 먼지’라는 사실을 새삼 다시 체감할 수 있는 그런 기회가 찾아오기를 바라면서 말이다. 

[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/herschel/news/herschel20130122.html

[2] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019arXiv191001093L/abstract

[3] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/836/1/85

[4] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa6f60

[5] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017AAS...22943412K/abstract

[6] https://www.nature.com/articles/nature07269​ 

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.​​​​​​​​​​​

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