[사이언스] 표면을 볼 수 있는 유일한 별은 태양만이 아니다

[비즈한국] 대학생 때 학과에서 진행한 공개 천문 관측 행사에 간 적이 있다. 우리는 망원경 여러 대로 하늘의 여러 천체를 하나씩 조준해놓고 시민들을 기다렸다. 하나 둘 시민들이 망원경에 눈을 가져다대고 하늘을 보는 동안 나는 내심 기대를 했다. 망원경을 접할 기회가 많지 않았을 사람들이 직접 망원경으로 별을 보면서 우리가 느끼는 경이로움을 같이 느껴주기를.

하지만 기대는 산산이 부서졌다. 우리가 맞춰놓은 망원경으로 별을 직접 바라본 시민들의 반응은 다들 썰렁했다. 렌즈 안에 그저 작은 점으로 보이는 별에 실망한 눈빛이었다. 아마 망원경으로 별을 보면 마치 영화에 나오는 것처럼 아주 거대하게 별의 표면까지 세밀하게 볼 수 있을 거라 기대했던 모양이었다. 하지만 그건 불가능하다. 수십조 원짜리 아무리 비싸고 거대한 망원경으로 별을 봐도 별은 모두 작은 점으로만 보인다. 별 크기에 비해 거리가 너무 멀기 때문이다. 낯선 망원경으로 보면 뭔가 달라 보일 거라 생각했을 사람들로선 맨눈으로 봤을 때랑 별로 다를 게 없는 별의 모습이 시시했을 만하다. 

별도 잘 안 보이는 서울 밤하늘에서 눈이 빠지도록 열심히 별들을 하나하나 조준해놨건만 정작 사람들에게 가장 인기가 많은 건 조준이 전혀 어렵지 않은 달이었다. 다들 별을 조준한 망원경은 신경도 쓰지 않고, 망원경 렌즈에 담긴 거친 달의 표면을 인증샷으로 담아가기 위해 스마트폰 카메라를 망원경 렌즈에 이리저리 비빌 뿐이었다. 빛의 속도로 수백, 수천 년의 시간을 날아와 우리 눈동자에 도착한 저 아름다운 별빛이 사람들에게 아무런 감동을 주지 못한다는 사실이 한편으론 허탈하게 느껴졌다. 

우리에겐 태양만이 유일하게 그 표면을 들여다볼 수 있는 별로 알려져 있다. 태양계 바깥 다른 별들은 거리가 너무 멀어서 면적이 있는 원반 형태로는 볼 수 없다. 그저 작은 점으로만 보인다. 하지만 꼭 그런 것은 아니다! 천문학자들은 지난 30여 년간 700광년 거리에 놓인 한 별을 쉬지 않고 관측했다. 태양만큼 선명하게 볼 수는 없지만, 그저 작은 점이 아닌 분명 면적이 있는 원반의 형태로 그 별의 표면을 바라볼 수 있게 되었다. 그 놀라운 주인공은 오리온자리에서 붉게 빛나며 죽음을 앞둔 별 베텔게우스다. 

2년 전 겨울 베텔게우스는 갑자기 어두워지면서 모두를 놀라게 했다. 맨눈으로 봐도 평소보다 확연하게 어두워 보일 만큼 그 차이가 뚜렷했다. 당시 많은 사람들은 정말 곧 초신성 폭발을 앞두고 별이 요동치면서 생긴 폭발의 전조 현상이 아닐까 기대했다. 하지만 아쉽게도(?) 베텔게우스는 아직 무사하다. 최근엔 더 자세한 관측과 분석을 통해 지난겨울 베텔게우스에서 무슨 일이 벌어졌는지를 명확히 이야기할 수 있게 되었다. 이 모든 이야기가 가능한 건 바로 우리가 베텔게우스를 단순히 점이 아닌 면적이 있는 원반의 모습으로 관측할 수 있기 때문이다. 베텔게우스를 점이 아닌 원반의 모습으로 담기 위해 시도했던 그 놀라운 발견과 노력의 역사를 소개한다. 

베텔게우스를 그저 작은 점이 아니라 면적이 있는 원반의 모습으로 담고자 했던 천문학자들의 역사를 소개한다.

베텔게우스는 오리온자리 왼쪽 겨드랑이에서 노랗게 빛나고 있다. 베텔게우스라는 이름 자체가 아랍어로 오리온의 겨드랑이라는 뜻에 어원이 있다. 곧 초신성이 될 운명을 앞둔 베텔게우스는 거대한 적색 거성이다. 그 크기만 태양 지름의 700배에 달한다. 만약 베텔게우스가 태양계 중심에 놓인다면 목성 궤도까지 베텔게우스 안에 다 들어갈 정도다. 

베텔게우스 자체 지름은 태양 지름의 약 700배. 베텔게우스까지 거리가 약 700광년이다. 따라서 단순하게 따져보면, 우리 밤하늘에서 보이는 베텔게우스 별 자체의 겉보기 크기는 태양이 1광년 거리에 놓여있을 때의 겉보기 크기와 비슷한 셈이다. 실제로는 지구의 하늘에서 보이는 달의 겉보기 크기보다 약 2만 배 더 작은 크기다. 물론 여전히 맨눈으로는 그저 점으로밖에 안 보이지만, 더 작은 크기까지 분해해서 볼 수 있는 망원경이라면 다르다. 단순한 점이 아닌 작은 원반으로 담을 수 있다. 

베텔게우스를 점이 아닌 원반의 모습으로 담기 위한 노력은 1990년부터 시작되었다. 당시 천문학자들은 지름 4.2m 크기의 윌리엄 허셜 망원경으로 베텔게우스를 관측했다. 별을 점이 아닌 면적이 있는 모습으로 보기 위해 한 가지 특별한 테크닉을 활용했다. 망원경 속에 곳곳에 구멍이 뚫린 가림막을 하나 끼워넣은 것. 

이렇게 하면 망원경 속으로 들어온 빛줄기가 구멍 여러 개를 동시에 통과하며 여러 갈래의 작은 빛줄기로 갈라져 검출기에 도달한다. 서로 다른 구멍을 통과한 빛줄기 사이에는 미세한 경로 차이가 발생한다. 각 구멍을 통과한 빛줄기가 함께 검출기 위로 겹쳐 도달하면 서로 간섭 현상을 겪는다. 여러 대의 전파 망원경으로 동시에 같은 천체를 보면서 분해능을 높이는 전파간섭계의 원리와 같다. 그래서 기존의 망원경에 가림막 하나만 끼워서 더 좋은 분해능의 효과를 얻을 수 있다. 이를 마스킹 간섭계(masking interferometry)라고 한다. 최근에 우주로 올라간 제임스 웹 안에도 이런 장치가 들어 있다. 

이 기발한 방법 덕분에 천문학자들은 600~700nm 파장에 해당하는 가시광선 영역에서 베텔게우스의 둥근 원반을 담았다. 그런데 그 모습은 흥미롭다. 베텔게우스 원반은 단순히 중앙이 가장 밝은 둥근 모습이 아니었다. 중앙에서 약간 옆으로 치우친 곳에 전체 밝기의 15%가 쏠린 비대칭한 모습을 하고 있다. 이는 베텔게우스 표면이 비대칭하게 요동치고 있다는 걸 의미한다. 

우리 태양 표면도 가까이서 들여다보면 부글부글 들끓고 있다. 별 내부의 뜨거운 에너지가 표면으로 올라오는 영역은 온도가 높고 밝게 보인다. 표면에서 에너지가 식고 다시 별 내부로 내려가는 영역은 어둡게 보인다. 별 전체가 대류하면서 쌀알이 모여 있는 것처럼 부글부글 들끓는 모습이 만들어진다. 천문학자들은 곧 폭발을 앞두고 베텔게우스가 아주 불안정한 시기를 보내면서 거대한 대류가 벌어진 결과 이런 비대칭한 모습이 만들어졌다고 추정했다. 

이후 1995년 3월, 허블 우주망원경으로 베텔게우스의 더 선명한 초상화를 담았다. 허블을 통해 자외선 파장으로 별을 관측하면 더 강한 에너지를 방출하는 별 대기권의 가장 최하층, 채층의 모습을 담았다. 허블로 담은 베텔게우스의 겉보기 크기는 260밀리각초 정도로, 이 별까지의 거리를 감안하면 사진 속에 펑퍼짐하게 담긴 베텔게우스 대기권의 실제 크기는 약 85억 km다. 만약 베텔게우스가 태양계 중심에 있다면 베텔게우스 표면 바깥으로 멀리 펼쳐진 대기권 최외곽은 거의 해왕성 궤도까지 뻗어진다. 

더 선명해진 베텔게우스의 사진에서는 특히 아랫부분이 다른 주변에 비해 더 밝게 빛나는 걸 볼 수 있다. 별 원반 전체 크기의 약 10%나 되는 영역에서 별 전체 밝기의 약 20%나 되는 강한 에너지가 집중적으로 방출되고 있다는 뜻이다. 태양 표면에서도 특정한 영역이 주변보다 더 밝게 보이는 밝은 반점들이 목격되곤 하지만, 별 표면에 견줄 만큼 넓은 영역에서 이렇게나 많은 에너지가 한꺼번에 방출되는 건 본 적 없다. 죽음을 앞둔 베텔게우스 표면에서 아주 격렬한 사투가 벌어지고 있음을 의미한다. 

2012년부터 2014년 사이에 칠레에 있는 거대 망원경 VLT도 베텔게우스를 담았다. 이 관측에서도 베텔게우스 표면이 비대칭하게 빛나고 있다는 것을 재확인했다. 별 표면 위에서 발견되는 이 거대하고 밝은 반점은 주변의 다른 표면에 비해 약 1000도 더 뜨겁다. 게다가 2년에 걸친 관측 기간 동안 반점의 위치가 서서히 달라졌다. 밝은 반점은 베텔게우스의 뜨겁고 깊은 내부에서 막대한 에너지가 한꺼번에 표면 위로 솟아올라오는 거대한 대류의 흔적이다. 보통 태양 표면에서 들끓는 쌀알무늬는 기껏해야 최대 1000km밖에 안 된다. 하지만 베텔게우스 표면에서 발견된 이 거대한 반점, 거대한 쌀알 하나의 크기가 무려 2억 km다. 쌀알 하나가 거의 화성 궤도 전체 지름에 맞먹는 엄청난 크기다.  

2015년 11월, 천문학자들은 칠레에 있는 거대한 전파망원경 어레이 ALMA를 동원해 또 다시 베텔게우스를 관측했다. 총 66개의 전파 접시 중 47개의 접시가 동시에 베텔게우스를 바라봤다. 당시 ALMA 관측으로 확인한 베텔게우스 대기권의 크기는 태양 지름의 약 1400배다. 이는 목성과 토성 궤도 크기의 중간쯤에 해당하는 거대한 크기다. 거대한 적색 거성의 둥근 광구 바로 바깥, 별의 대기권이 살짝 찌그러진 비대칭한 모습을 보여준다. 별 중심의 왼쪽 위에서 뚜렷하게 주변보다 1000도 더 뜨겁게 밝게 빛나는 밝은 반점을 또 다시 확인할 수 있다. 

당시 관측에선 이뿐 아니라 또 다른 흥미로운 점을 발견했다. 베텔게우스의 표면 바로 바깥, 별 반지름의 1.3배에 해당하는 지점의 온도는 2700도 정도다. 그런데 별 표면에서 더 멀리, 별 반지름의 2배에 해당하는 거리까지 벗어나면 온도가 낮아지는 게 아니라 오히려 3600도까지 더 높아진다. 그리고 다시 별 표면에서 더 멀리, 별 반지름의 6배까지 벗어나고 나면 온도는 다시 1400도까지 내려간다. 이처럼 별 표면에서 멀리 벗어나면서 온도가 다시 높아졌다가 내려가는 모습은 베텔게우스 표면에서 아주 복잡하게 얽혀 있는 자기장을 따라 별 표면이 극단적으로 요동치고 있다는 것을 보여준다. 

베텔게우스는 이전부터 오랫동안 쉬지 않고 요동치며 꾸준히 밝기가 변화했다. 대략 400일 주기로 밝아졌다가 어두워졌다가를 반복해왔다. 표면의 거대한 밝은 반점이 매달 꾸준히 요동치면서 비대칭하게 찌그러진 별의 모습이 계속 변했다. 그런데 2019년 겨울 더욱 놀라운 일이 벌어졌다. 갑자기 별 표면이 눈에 띄게 어두워진 것이다. 그것도 너무나 짧은 시간 사이에 어두워졌다. 초거대 망원경 VLT에 있는 SPHERE 장비로 관측한 모습을 보면 뚜렷하게 그 변화를 볼 수 있다. 

2019년 1월까지만 해도 비대칭하기만 할 뿐 밝게 빛나고 있던 베텔게우스는 같은 해 12월 갑자기 40% 가까이 뚝 어두워졌다. 2019년 12월 촬영한 모습을 보면 확연하게 별 원반 아랫부분이 검게 어두워졌다. 맨눈으로 봐도 그 차이를 느낄 수 있었다. 그래서 당시 적지 않은 천문학자들은 초신성 폭발을 앞두고 핵융합 연료가 모두 소진되면서 폭발 직전 겪게 되는 갑작스러운 붕괴를 암시하는 전조 현상이 아닐까 추측했다. 그리 멀지 않은 베텔게우스가 정말 폭발한다면 지구 전역에서 망원경도 없이 맨눈으로 충분히 즐길 수 있는 아주 멋진 우주쇼가 될 것이다. 그래서 많은 사람들이 죽기 전에 초신성 폭발이라는 역대급 우주쇼를 구경하는 멋진 경험을 할 수 있을 거라 기대했다. 하지만 아쉽게도 베텔게우스 초신성 폭발을 볼 수 있는 기회는 다음으로 미뤄야 할 것 같다. 

최근 천문학자들은 2019년 겨울 베텔게우스에 정확히 무슨 일이 벌어졌는지를 밝혀냈다. 온갖 망원경을 총 동원해 베텔게우스를 집중적으로 조준했다. 스페인 테네리페에서 지름 1.4m 크기 망원경이 자동으로 작동하는 STELLA 로봇 천문대, 애리조나에 위치한 프레드 로렌스 휘플 천문대(Fred Lawrence Whipple Observatory, FLWO)에 있는 지름 1.5m 크기의 틸링해스트 망원경, 원래 태양 활동을 모니터링하기 위해 우주로 올라간 STEREO-A 우주망원경, 그리고 허블 우주망원경에 이르기까지 지상과 우주를 아우르는 다양한 망원경이 총동원되었다. 그 덕분에 베텔게우스의 요동치는 모습을 정말 실시간으로 보는 듯한 관측을 진행할 수 있었다. 

한때 베텔게우스의 폭발을 기대한 모두를 설레게 한 사건의 실태는 이렇다. 당시 부글부글 끓고 있던 베텔게우스의 표면 바깥으로 한꺼번에 많은 양의 물질이 분출되었다. 마치 태양 표면 바깥으로 막대한 물질이 분출되어 나가는 코로나 물질 분출(CME, Coronal Mass Ejection)과 비슷하다. 다만 베텔게우스에서 벌어진 물질 분출은 훨씬 막강했다. 보통 태양에서 벌어지는 분출의 4조 배에 달하는 막대한 질량이 약 한 달에 걸쳐 빠르게 분출되었다. 거의 달 질량 몇 배에 달하는 엄청난 별의 살점이 순식간에 뜯겨 날아간 셈이다. 

이렇게 분출된 별의 살점은 곧바로 우주 공간에서 차갑게 식었다. 그리고 베텔게우스 앞을 잠깐 동안 가로막는 짙고 거대한 먼지 구름이 되었다. 별 얼굴에서 떨어져나간 살점이 차갑게 식은 채로 별 스스로의 앞을 가려버렸던 것이다. 2019년 겨울 당시 갑자기 벌어진 베텔게우스의 밝기 감소는 바로 이 때문이었다. 별 앞을 가렸던 먼지 구름이 모두 사라지면서 지금은 원래의 밝았던 모습으로 원상 복구되었다. 아쉽지만 아직은 초신성 폭발을 맞이하기까지 베텔게우스에게 시간이 조금 더 남아있는 듯하다. 

천문학자들이 베텔게우스의 난폭한 모습에 주목하는 건, 초신성 폭발이 벌어지기 전의 과정을 세세하게 들여다볼 수 있는 거의 유일한 곳이기 때문이다. 초신성은 예고 없이 찾아온다. 밤하늘에서 어떤 별이 언제 터질지는 예측할 수 없다. 그동안 모든 초신성은 항상 폭발이 벌어지고 나면 그 뒤에 부랴부랴 망원경을 조준해서 관측한 것이 전부다. 결국 폭발이 벌어진 이후에야 초신성의 존재를 알고 관측할 수 있기 때문에, 항상 최고 밝기의 정점을 찍고 서서히 꺼져가는 폭발 이후의 과정만 담았다. 초신성을 앞두고 별에서 정확히 어떤 변화가 벌어지는지, 폭발 이후가 아닌 폭발 직전까지의 모습은 여전히 이론과 시뮬레이션 세계에서만 존재한다. 

그런데 베텔게우스는 높은 확률로 곧 초신성의 길을 걸을 게 확실한 별이다. 게다가 거리도 그다지 멀지 않고, 크기도 아주 거대하다. 그래서 우리 태양만큼은 아니지만 다른 별과 달리 단순한 점이 아닌 면적이 있는 흐릿한 원반의 모습으로 그 표면을 들여다볼 수 있다. 초신성 폭발이라는 우주에서 가장 장렬한 죽음을 준비하는 별의 임종을 지켜볼 수 있는 유일한 세계다. 바로 이 점이 베텔게우스를 더욱 특별하게 만들어준다. 

최근에 올라간 제임스 웹이 베텔게우스를 관측하는 일정은 아직 잡하지 않았다. 하지만 제임스 웹도 허블과 마찬가지로 충분히 베텔게우스의 표면을 더 선명하게 들여다볼 수 있다. 시시각각 부글부글 들끓으며 그 모습이 계속 바뀌고 있기 때문에, 계속 베텔게우스의 모습이 어떻게 바뀌어가고 있는지를 오랜 시간 모니터링하는 것도 제임스 웹이 시도할 만한 좋은 관측이다. 

태양계 바깥 표면을 분해해서 들여다볼 수 있는 거의 유일한 별, 베텔게우스. 부디 그 최후의 순간이 머지않아 찾아오는 행운이 있길 바란다. 처음으로 초신성이 폭발하기 전부터 폭발의 정점, 그리고 그 이후의 전 과정을 완벽하게 담아내는 역사적인 관측이 이루어지기를 기대해본다. 

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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