[사이언스] '우주대스타'가 될 뻔했던 베텔게우스

[비즈한국] 총선이 한 달 남짓 앞으로 다가오면서 예비후보들의 홍보 문자가 쏟아지기 시작하고 있다. 바쁘게 움직이고 있는 선거판의 예비후보만큼이나 전 세계 천문학자들의 관심을 한몸에 받고 있는 우주 대스타 예비후보도 하나 있다. 

바로 곧 초신성이 되어 폭발하게 될 것처럼 갑작스럽게 밝기가 어두워지면서 많은 천문학자들의 관심을 끌었던, 초신성 예비후보 베텔게우스다. 그런데 최근 새롭게 관측된 소식에 따르면, 김빠지게도 베텔게우스는 아직 초신성으로 폭발할 때가 아닌 것으로 확인되었다. 

최근 업데이트된 베텔게우스의 근황은 초신성 폭발을 기대했던 사람들에게 아쉬움을 불러일으킨다.

#변덕쟁이 별 베텔게우스

2019년 말부터 겨울철 밤하늘 오리온자리의 왼쪽 어깨에 자리한 베텔게우스에서 이상한 낌새가 보고되기 시작했다. 베텔게우스는 다른 평소 때보다 확연하게 어두워 보였다. 매일 밤하늘을 올려다보던 천문학자나 천체 사진가들은 금방 베텔게우스가 달라졌음을 알았다. 2019년 12월 베텔게우스는 그 이전 평균 밝기보다 무려 36%나 더 어둡게 관측되었다. 맨눈으로 봐도 확연하게 느낄 수 있을 정도였다. 

많은 사람들은 베텔게우스가 곧 초신성으로의 폭발을 앞두고 있기 때문에 나타나는 일종의 전조 현상이라고 추측했다. 하지만 사실 베텔게우스는 이미 오래전부터 밝기가 아주 변덕스럽게 변하는 것으로 유명했던 장난꾸러기 별이다. 

베텔게우스는 현재 태양보다 약 800배 더 크게 부풀어있는 적색 거성이다. 이 거대한 베텔게우스는 별 자체가 불안정한 내부 상태로 인해, 불규칙하게 팽창과 수축을 반복하면서 별의 크기가 커졌다가 작아졌다를 반복한다. 별의 크기가 변화하면서 별의 표면온도와 밝기도 함께 불규칙하게 변화하는 변광성이다. 

베텔게우스의 진화 과정을 구현한 시뮬레이션 영상. 별의 내부에서 요동치는 격렬한 대류로 인해 별 표면에서 상승 기류와 하강 기류가 복잡하게 요동치며 섞인 모습을 볼 수 있다. 이런 복잡한 진화 과정으로 인해 베텔게우스는 별의 밝기도 변덕스럽게 변화하고 있다. 영상=Bernd Freytag

베텔게우스가 가장 작게 수축하며 표면온도가 가장 높아질 때는, 그 반지름이 태양에서 화성 궤도 반지름 정도까지 작아진다. 반대로 베텔게우스가 가장 크게 팽창해서 표면온도가 가장 낮을 때가 되면, 그 반지름은 태양에서 목성 궤도 반지름 정도까지 늘어난다. 별이 혼자 수축과 팽창, 맥동을 하면서 별의 크기가 3~4배씩이나 커졌다 작아졌다를 반복하고 있다. 

베텔게우스의 복잡하고 변덕스러운 밝기 변화는 오래전부터 잘 알려졌다. 19세기 영국의 천문학자 존 허셜은 꾸준히 오리온자리의 베텔게우스를 관측하면서, 1836년에서 1840년 사이에 베텔게우스의 밝기가 아주 뚜렷하고 크게 변화하고 있다는 것을 처음 발견했다.[1] 

“1836년에서 1840년 사이에 오리온자리의 알파별(베텔게우스)은 아주 분명하고 명확하게 밝기가 요동쳤다.”

역동적으로 맥동하는 베텔게우스의 밝기 변화 패턴을 분석하면, 단 하나의 주기가 아니라 여러 개의 크고 작은 주기로 뒤섞인 아주 복잡한 양상임을 알 수 있다. 이 복잡한 패턴 안에는 크게 약 425일 주기로 밝기가 변화하는 패턴, 100~180일 주기의 밝기 변화, 5.9일의 가장 짧은 주기의 밝기 변화 패턴이 섞여 있다. 이처럼 밝기 변화 패턴이 아주 복잡하기 때문에 베텔게우스는 준-일반 변광 적색 거성(semi-regular variable red giant)로 분류한다.[2] 

물론 2019년 말부터 올해 초까지 나타난 베텔게우스의 밝기는 본격적인 측광 관측이 시작된 1979년 이후 관측 사상 가장 어두운 모습이었지만, 전체 관측 시기 동안 기록된 베텔게우스의 밝기 변화 전체를 보면 최근의 어두운 모습이 아주 이상한 것이었다고는 단정하기 어렵다. 베텔게우스는 원래 밝기가 아주 복잡하게 큰 폭으로 변화하고 요동치는 변덕쟁이기 때문이다. 

사실 복잡하게 요동치는 베텔게우스의 밝기 변화 양상만 가지고 곧(또는 언제) 초신성이 되어 폭발할 것이라 예측하는 것은 마치 요동치는 암호화폐 차트만 보면서 별다른 근거 없이 “오늘 최저점을 찍었으니 바로 내일부터 최고점을 향해 반등할 것이다”라고 희망하는 것과 크게 다르지 않다.[3] 

오랫동안 베텔게우스를 모니터링해온 천문학자 에드워드 구이난(Edward Guinan)은 최근 베텔게우스의 어두운 모습은 단순히 5.9일의 짧은 주기의 패턴에서 어두운 시기와, 425일의 긴 주기의 패턴에서 어두운 시기가 우연히 함께 겹치면서, 다른 때보다 유독 더 어둡게 보였던 것이라고 이야기한다. 

사실 곧 초신성 폭발을 앞둔 적색거성이 폭발 전에 급격한 밝기 감소라는 징후를 보인다고 확인된 것은 없다. 따라서 별이 갑자기 어두워지면 곧 초신성으로 폭발한다고 이야기하는 것은, 마치 지진이 나기 전 독특한 구름이 하늘에 보인다거나, 심해 물고기가 수면 위로 올라온다더라 같은, 아직 정확하게 인과관계가 파악되지 않은 소문에 기반한 예측이라고 볼 수 있다. 

당장 인류의 밤하늘을 비추는, 가까운 곳에서 터진 화려한 초신성 폭발의 쇼를 보고 싶었던 우리의 바람과 달리, 베텔게우스가 보였던 갑작스러운 밝기 감소는 우주 쇼를 앞두고 나타난 징후가 아니라, 그저 원래 늘 그래왔던 것처럼 복잡하게 요동치는 밝기 변화의 일부였던 셈이다. 

#밝기뿐만 아니라 얼굴도 변했다

베텔게우스는 지구에서 약 640광년 떨어진 비교적 가까운 별이다. 크기가 아주 큰 별이 이처럼 그리 멀지 않은 거리에 있는 덕분에, 그저 작은 점으로밖에 보이지 않는 다른 별과 달리 베텔게우스는 지구에서 어렴풋하게 그 표면을 볼 수 있는 유일한 별이다. 

천문학자 미구엘 몬타게스의 연구팀은 유럽남방 천문대(ESO, European Southern Observatory)의 초거대 망원경(VLT, Very Large Telescop)을 활용해서 2019년 12월 베텔게우스의 얼굴을 관측했다. 마침 이 연구팀은 같은 망원경을 활용해, 별이 본격적으로 어두워지기 전이던 지난 2019년 1월에도 베텔게우스의 얼굴을 관측했다. 덕분에 1년을 사이에 두고 별의 얼굴이 어떻게 달라졌는지 직접 비교할 수 있었다.[4] 

VLT로 2019년 1월과 12월 관측한 베텔게우스의 전후 모습을 비교한 영상. 베텔게우스의 밝기 변화는 주로 아래쪽 절반 부분이 어두워지면서 나타난 것으로 확인되었다. 영상=ESO/M. Montargès et al.

2019년 1월과 12월 촬영한 베텔게우스의 얼굴을 비교하면 흥미롭게도 별의 밝기뿐만 아니라 별의 형상 자체가 달라진 것을 명확하게 볼 수 있다. 특히 비대칭하게 별의 아래쪽 절반이 더 많이 어두워지면서 별의 전체 밝기가 감소했음을 확인할 수 있다. 우리가 관측한 베텔게우스의 갑작스런 밝기 변화는 주로 이 아래쪽 절반에서 일어난 변화에 의한 것이었다. 

이러한 변화는 별이 표면 바깥으로 분출한 많은 먼지 구름에 의해 별의 아래쪽 절반 일부가 가려지면서 어둡게 관측된 것이라고 생각할 수 있다. 실제로 뒤이어 별 주변의 먼지 구름에서 새어나오는 미지근한 열을 관측할 수 있는 초거대 망원경의 적외선 관측 장비 VISIR로 관측한 사진을 보면, 베텔게우스 별 주변을 아주 큰 먼지 구름이 에워싸고 있는 것이 확인된다. 

별 주변을 에워싼 거대한 먼지 티끌 구름은 베텔게우스처럼 죽음을 앞둔 맥동하는 적색거성이 계속 팽창과 수축을 반복하면서 표면 바깥으로 많은 물질을 토해내는 질량 손실(mass loss)을 겪기 때문에 만들어진다. 현재 베텔게우스는 매년 거의 지구 하나 정도에 해당하는 질량을 바깥으로 토해내고 있다. 최근 급격하게 어두워진 베텔게우스의 낯빛은 어쩌면 이런 오랜 ‘다이어트’로 인해 발생한 부작용이었을지도 모른다. 

게다가 그리 멀지 않은 과거, 지구 주변의 우주 공간에서 베텔게우스보다 먼저 폭발했던 고대 초신성 폭발의 흔적이 새롭게 확인되면서, 이번에는 베텔게우스의 차례가 아닐 것이란 실망스러운 예측에 무게가 더해지고 있다. 꽤 최근에 지구 근처에서 다른 초신성이 폭발했기 때문에, 확률적으로 곧바로 당장 가까운 미래에 베텔게우스가 또 지구 근처에서 초신성 폭발을 일으킬 가능성은 낮다고 본다. 

#애초부터 초신성 후보가 아니었다? 

베텔게우스의 초신성 폭발 시기가 아직 다가오지 않았다는 것을 넘어, 애초에 베텔게우스의 최후가 우리가 기대하던 그 화려한 초신성이 아닐 수도 있다는 추측도 함께 나온다. 우리 은하 내에서 평균적으로 50년에 한 번씩 터지는 초신성이 아니라, 더 흔한 10년에 한 번꼴로 폭발하는 적색 신성(Red nova)의 형태로 최후의 순간을 맞이할 가능성도 제기된다. 

가장 최근 목격된 적색 신성 중 하나는 전갈자리에 위치한 V1309 별이다. 함께 짝을 지어 돌고 있던 쌍성의 두 별이 서로의 중력에 의해 가까워진 끝에 결국 충돌하면서 일으킨 적색 거성의 폭발이 2008년 목격되었다. 지난 2002년 별이 폭발하면서 주변에 빛 메아리(Light echo) 형태의 파문을 남긴 것으로 유명한 외뿔소자리의 V838도 적색 신성으로 추측하는 천문학자들도 있다. 

V838이 폭발하면서 주변에 일으킨 빛 메아리 현상을 기록한 영상. 허블 우주망원경으로 촬영한 사진들을 모아서 만든 영상이다. 영상=ESA, NASA, Hubble Space Telescope

보통 적색 신성은 두 별의 표면이 맞닿은 채로 함께 짝을 지어 돌고 있는 접촉 쌍성(Contact binary)에서 만들어진다. 접촉 쌍성은 별 두 개가 따로 떨어져 있는 것이 아니라, 마치 거대한 볼링핀이나 조롱이떡과 같은 모습으로 보인다. 접촉 쌍성을 이루는 두 별 중 더 크고 무거운 별이 작은 별에 비해 더 빠르게 진화한다. 결국 내부의 수소 연료를 모두 소진한 큰 별이 더 부풀어 오르게 되면, 그 옆의 작은 별은 서서히 큰 별에서 거리를 벌리면서 큰 별 쪽으로 물질을 빼앗기기 시작한다. 

이후 전체 질량의 15퍼센트를 넘게 큰 별 쪽으로 빼앗긴 작은 별은 다시 큰 별 쪽으로 끌려가며 빠져들기 시작하고, 두 별 사이의 거리가 다시 짧아지면서 회전 반경이 작아진 접촉 쌍성은 더 빠른 속도로 자전하며 불안정한 진화 마지막 단계를 거치게 된다. 작은 별이 결국 큰 별 속으로 빨려들어가 잡아먹히는 과정에서 막대한 양의 에너지를 방출하면서, 접촉 쌍성은 적색 신성이 된다. 

접촉 쌍성이던 전갈자리 V1309 별이 적색 신성으로 죽어가는 과정을 구현한 시뮬레이션 영상.

흥미롭게도 최근의 많은 관측에 따르면 베텔게우스 역시 하나의 무거운 적색 거성이 아니라, 두 별이 맞붙은 접촉 쌍성으로 추정된다. 별이 자전하면서 겪는 도플러 효과에 의해 벌어진 베텔게우스 스펙트럼의 선폭 너비를 통해 별의 자전 속도를 구할 수 있다. 현재 베텔게우스는 지구에서 바라봤을 때, 적도에서 약 20도 기울어진 자전축을 중심으로 베텔게우스의 적도가 15km/s의 빠른 속도로 자전하고 있다. 별이 더 크게 부풀어 오르기 전, 베텔게우스가 어렸을 때에는 이보다 더 빠른 250km/s에 달하는 아주 빠른 속도로 자전했던 것으로 추정된다. 

이는 태양의 적도가 자전하는 속도인 2km/s보다 훨씬 빠른 자전 속도다. 이렇게 빠른 속도로 자전하게 되면 별은 아주 많은 물질을 바깥으로 토해내야만 한다. 너무 자전이 빠른 탓에 그 속도를 주체하지 못하고 자신의 외투가 바깥으로 으스러져 벗겨지는 셈이다. 하지만 이렇게 빠른 속도라면 베텔게우스는 이미 천 년 만에 진즉 파괴되었어야만 한다. 하지만 현재 관측되는 베텔게우스의 나이는 적어도 800만 년 정도다. 즉 이 빠른 자전 속도에도 베텔게우스는 으스러지지 않고 꽤 오래 버티고 있다는 이야기다. 그렇다면 빠른 자전 속도와 베텔게우스 나이의 모순은 어떻게 설명할 수 있을까? 

천문학자들은 베텔게우스가 처음 태어났을 때, 그 바로 옆에 태양 정도의 가벼운 질량을 가진 동반성이 함께 있었다면 이 모순이 해결된다고 추측한다. 베텔게우스도 원래는 지금처럼 아주 빠르게 자전하지는 않았지만, 서서히 적색 거성으로 성장하는 과정에서 바로 곁에 있던 작은 동반성과 거리가 좁아지며 접촉 쌍성이 되었다. 그리고 끝내 동반성을 잡아먹으면서 지금과 같은 아주 빠른 자전 속도를 갖게 되었다고 볼 수 있다.[5] 

#베텔게우스는 다시 밝아지고 있다

우리의 기대와 달리, 베텔게우스는 옆에 태양만 한 작은 동반성을 끼고 태어난 접촉 쌍성이었고, 최후의 순간 초신성이 아닌 그보다는 다소 실망스러운 적색 신성의 형태로 죽음을 맞이할 가능성도 있다. 

바로 며칠 전부터 베텔게우스는 다시 밝아지기 시작했다. 항상 그래왔듯 변덕스러운 밝기 변화 패턴을 따라 다시 원래의 정상 밝기로 돌아가는 것이다. 결국 최근 항간에 떠돌았던 베텔게우스의 초신성 폭발 스캔들은 잠잠해질 것으로 예상된다.[6] 

한동안 우리 모두를 설레게 했던 베텔게우스는 우리를 약 올리기라도 하듯, 다시 원래의 밝기로 돌아가며 저물어가는 겨울 하늘과 함께 지평선 아래로 도망가고 있다. 

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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