[비즈한국] 오리온자리의 왼쪽 겨드랑이 별, 베텔게우스. 모든 천문학자들과 우주 팬들이 빨리 폭발하기만을 바라는 불쌍한 별이다. 베텔게우스는 진화 막바지를 보내며 곧 초신성 폭발을 맞이하게 된다. 물론 천문학적으로 머지않았다는 것으로, 실제로는 10만 년에서 80만 년이 더 지난 뒤에 별이 폭발할 것이라 생각해왔다. (우주의 역사에 비하면 찰나에 불과하지만, 지구의 하늘에서 역대급 우주 쇼를 보고 싶은 우리에겐 너무나 긴 세월이다.) 그래서 베텔게우스가 곧 터진다고 해도 그리 와닿지 않는 먼 이야기일 뿐이었다.
그런데 최근 베텔게우스의 폭발이 훨씬 빠르게 벌어질 것이란 새로운 분석 결과가 발표되었다. 이번 연구는 베텔게우스의 겉모습 뿐 아니라 속에 남아 있는 핵융합 연료의 양까지 파악했다. 이번 분석에 따르면 베텔게우스의 연료는 바로 최근에 완전히 고갈된 상태다. 이 발견이 사실이라면, 베텔게우스의 초신성 폭발은 앞으로 수십만 년 뒤가 아니라 수십 년 안, 최대 100년 안에는 벌어지게 된다! 과연 우리가 생전에 망원경 없이 맨눈으로 초신성을 직접 볼 수 있을까? 장엄한 죽음이 얼마 남지 않은 베텔게우스의 속사정을 소개한다.
베텔게우스 초신성 폭발 시계는 왜 갑자기 빠르게 다시 조정되었을까?
베텔게우스의 폭발이 정말 머지않았다는 이야기는 앞서 2020년에도 있었다. 2019년 12월에서 2020년 2월 사이에 베텔게우스의 밝기가 갑자기 급격하게 어두워졌다. 평소에 비해 35%나 어두워서 그냥 눈으로 봐도 티가 날 정도였다. 당시 적지 않은 천문학자들은 베텔게우스가 곧 폭발을 앞두고 급격하게 요동치며 벌어진 초신성의 전조 현상일지 모른다고 기대했다. 하지만 2020년 4월이 넘어가면서 베텔게우스는 다시 원래의 밝기로 돌아왔다. 폭발의 전조 현상은 아니었던 것으로 보인다. 이후 허블 망원경의 관측에 따르면 별이 난폭하게 요동치면서 밖으로 토해낸 먼지 구름이 별 앞을 가리고 지나가면서 벌어진 현상이었다.
당시의 밝기 변화가 특히 천문학자들의 이목을 끈 것은 기존에 알려진 변광 주기를 크게 벗어난, 예상치 못한 급격한 밝기 감소였기 때문이다. 베텔게우스는 지난 수십 년간 꾸준히 관측됐고 오래전부터 복잡하게 밝기가 요동치는 변광성이다. 얼핏 보면 일정한 주기 없이 그냥 복잡하게 밝기가 변화하는 것처럼 보인다. 하지만 천문학자들은 수십 년간 관측한 밝기 변화 패턴 속에서 길고 짧은 다양한 주기의 밝기 변화를 밝혀냈다.
가장 크게는 2200일 주기(약 5.9년), 그리고 425일 주기(약 1.2년)로 밝아졌다가 어두워졌다가를 반복하는 두 가지의 변광 패턴이 섞여 있다. 변화 폭이 이에 비해 미미하기는 하지만 약 230일 주기와 약 185일 주기의 변광 패턴도 존재한다. 이런 다양한 주기의 변광 패턴이 섞여 있다 보니, 베텔게우스의 밝기 변화는 굉장히 복잡하게 제멋대로 벌어지는 것처럼 보인다.
이런 복잡한 밝기 변화를 보이는 이유는 베텔게우스는 죽음을 앞두고 내부의 핵융합 연료가 고갈되어가고 있기 때문이다. 내부의 엔진이 서서히 꺼져가면서 별 자체를 붕괴시키려는 중력과 별 내부의 열에 의한 압력 사이의 균형이 깨졌다. 그래서 별이 통째로 팽창과 수축을 반복하며 부들부들거리고 있다. 별이 빠르게 요동치면서 사방으로 많은 가스 물질도 토해낸다. 그런데 2019년 나타난 급격한 밝기 감소는 이 복잡한 변광 주기에서 예상하지 못한 변화여서 주목을 받았던 것이다.
별이 빛을 내게 해주는 핵융합 연료가 완전히 바닥나게 되면 베텔게우스는 터지게 된다. 그렇다면 베텔게우스 품 속에 연료가 정확히 얼마나 남아 있는지 알 수 없을까? 최근에 그 시도의 결과가 발표되었다. 천문학자들은 별 속에 여러 원소가 다양한 함량으로 남아 있는 여러 모델을 만들어 베텔게우스의 복잡한 밝기 변화 패턴을 가장 잘 설명하는 케이스를 찾아냈다.
이번 결과에 따르면 놀랍게도 베텔게우스는 이미 수소는 한참 전에 바닥난 상태다. 수소를 융합해서 헬륨을 만드는 수소 핵융합은 더 이상 벌어지지 않는다. 심지어 이렇게 만든 헬륨조차 이미 모두 탄소로 융합해서 고갈된 상태다. 베텔게우스는 이미 수소 핵융합과 헬륨 핵융합 단계를 모두 마친 상태로 추정된다. 대신 중심에 헬륨을 융합해 만든 탄소 찌꺼기를 재활용해서 더 무거운 마그네슘, 네온과 같은 원소를 만드는 탄소 핵융합이 벌어지고 있다. 베텔게우스 정도의 별은 결국 이 단계가 끝나면 그대로 핵융합 엔진이 영원히 꺼지면서 별이 통째로 빠르게 붕괴한다. 붕괴된 별의 외곽층은 사방으로 빠르게 흩어지며 아름다운 잔해를 남기게 되고 우리는 장엄한 초신성 폭발로 그 모습을 보게 된다.
핵융합 과정은 다음 단계로 넘어갈수록 그 효율과 속도가 빨라진다. 베텔게우스의 경우 가장 처음 수소 핵융합이 끝나기까지 약 1500만 년 정도가 걸렸다. (훨씬 가벼운 우리 태양의 경우 수소 핵융합이 끝나기까지 100억 년 가까운 시간이 걸린다.) 이렇게 만든 헬륨을 다시 융합해서 탄소를 만드는 헬륨 핵융합은 훨씬 짧아서 겨우 수백~수천 년 안에 끝난다. 그 다음 단계인 탄소 핵융합은 훨씬 더 빠르게 진행된다. 따라서 베텔게우스 중심에 현재 얼마나 많은 탄소가 남아 있는지를 알면 앞으로 베텔게우스가 얼마나 더 버틸지를 정확히 알 수 있다.
이번 연구에서 천문학자들은 베텔게우스의 복잡한 밝기 변화 패턴을 재현하기 위해, 별 중심에 탄소 대부분이 고갈된 상황부터 꽤 남아 있는 상황까지 다양한 모델을 만들었다. 그 결과 베텔게우스의 밝기 변화를 가장 잘 설명하는 모델은 중심에 탄소가 거의 남아 있지 않을 때의 모델이었다. 즉 베텔게우스는 이미 탄소 핵융합 연료마저 대부분 고갈되어 별의 중력 붕괴만을 앞두고 있다는 뜻이다!
이를 통해 베텔게우스가 대략 언제쯤 폭발하게 될지를 예측할 수 있다. 위 그래프는 초신성 폭발 시점을 기준으로 베텔게우스 내부에 남아 있는 다양한 원소의 함량 변화를 보여준다. 그래프를 보면 우선 가장 첫 번째 핵융합 재료로 쓰이는 수소부터 빠르게 고갈된다. 수소가 모두 고갈될 즈음 수소 핵융합으로 만들어지는 헬륨 함량이 잠시 높아진다. 하지만 곧바로 헬륨도 핵융합에 쓰이면서 그 양이 줄어들고, 헬륨을 모아 만든 탄소의 양이 높아지는 것을 볼 수 있다.
이번 연구에서 추정한 베텔게우스 핵 속에 남아 있는 탄소의 함량은 최소 0.48%에서 최대 17.12% 수준이다. 이 추정치를 그래프에 대입해보면 현재 베텔게우스의 상태는 초신성 폭발까지 최소 10년에서 최대 100년 정도를 남겨두고 있다! (이 그래프의 가로축, 시간은 log 스케일이다.) 조만간 터질 거라 이야기하기 민망할 정도인 수십만 년 뒤에 폭발하는 게 아니라, 정말 운이 좋으면 몇십 년 안에 베텔게우스의 폭발을 볼 수 있다는 뜻이다. 거대한 별이 순식간에 중성자별로 붕괴하는 광경을 살아생전 우리 눈으로 보게 될지도 모른다!
다만 베텔게우스의 앞날을 예측하는 것에는 치명적인 한계가 있다. 우리는 여전히 베텔게우스까지의 정확한 거리를 모른다. 현재 추정되는 베텔게우스까지의 거리는 약 430~650광년으로 꽤 범위가 넓다. 거리 측정의 오차도 ±50광년 수준이다. 우리 은하 바깥 먼 우주 끝자락도 아니고, 우리 은하 속에 있는 별인데 왜 거리를 정확히 모르느냐고? 그건 이 별이 지나치게 밝기 때문이다.
현재 가이아 망원경이 주변 별까지의 거리를 정밀하게 측정하면서 우리 은하의 정밀 지도를 그리고 있다. 가이아는 지구의 공전으로 인한 시차를 활용해 주변 별의 거리를 잰다. 그런데 베텔게우스는 그리 멀지 않은 거리에 있는 너무 밝은 별이다보니 가이아의 예민한 센서에는 지나치게 밝아 제대로 찍을 수가 없다. 게다가 아주 복잡하게 요동치는 별 자체의 밝기도 정확한 거리를 재기 어렵게 만든다.
거리는 별의 정확한 스펙을 추정할 때 가장 큰 영향을 준다. 만약 거리가 원래 알고 있던 것보다 더 가깝게 측정된다면 우리가 추정한 별의 밝기, 질량은 더 작게 수정해야 한다. 지구 하늘에서 별이 밝게 보인 이유가 별 자체가 엄청 밝아서가 아니라, 거리가 가까워서인 것도 있기 때문이다. 실제로 최근 한 연구는 베텔게우스까지의 거리가 원래 알려진 650광년보다 25%가량 더 가까운 약 550광년 정도로 측정된다는 결과를 내놨다. 새로 구한 거리를 적용하면 베텔게우스의 질량은 익히 알려진 정도에 비해 살짝 더 가벼울 가능성도 있다. (물론 그래도 여전히 태양 질량의 16.5~19배 수준의 육중한 별이다.) 베텔게우스의 거리를 잴 때 큰 오차가 있는 만큼, 베텔게우스의 정확한 미래를 예측하는 것 역시 여전히 큰 오차가 있다.
그렇다면 역사상 최고의 우주 망원경 제임스 웹은 어떨까? 아쉽지만 제임스 웹 역시 베텔게우스는 찍을 수 없다. 베텔게우스는 태양보다 훨씬 거대하지만 그만큼 더 미지근한 적색 초거성이다. 대부분의 빛을 가시광보다 파장이 긴 적외선 영역에서 방출한다. 가시광 빛으로 보면 베텔게우스는 지구 하늘에서 약 열 번째로 가장 밝은 별이다. 하지만 적외선으로 본다면, 베텔게우스는 지구 하늘에서 제일 밝은 별이다. 적외선 영역에서 베텔게우스의 밝기는 -4.4등급 정도다.
문제는 애초에 제임스 웹의 적외선 센서들은 수백억 광년 먼 거리의 희미한 은하를 볼 정도로 아주 민감하다는 것이다. 제임스 웹 센서가 볼 수 있는 가장 밝은 천체의 등급 한계는 8~10등급 수준이다. 등급은 숫자가 작아질수록 더 밝다. 또 로그 스케일이다. 1등급 작아질수록 2.5배 더 밝다는 뜻이다. 단순 계산해봐도 베텔게우스는 제임스 웹이 볼 수 있는 가장 밝은 한계보다도 백만 배 정도는 더 밝다. 만약 무리해서 제임스 웹으로 베텔게우스를 찍는다면 사진 전체가 하얗게 다 과노출(Saturate)될 것이다. (그렇다면 어떻게 허블 망원경으로는 베텔게우스를 찍었는가? 그건 허블은 적외선이 아닌 더 파장이 긴 가시광, 근자외선으로 우주를 보기 때문이다. 가시광, 근자외선으로 보면 미지근한 베텔게우스는 훨씬 어둡다.)
베텔게우스는 여러모로 참 신비로운 별이다. 비교적 가까운 거리에서 아주 거대한 크기로 빛나는 덕분에 태양을 제외하고 실제 표면의 모습을 볼 수 있는 유일한 별이다. 실제로 베텔게우스는 작은 점이 아니라 면적을 가진 작은 원반의 모습까지 볼 수 있다. 하지만 동시에 너무 밝아서 정확한 거리를 구하기 까다롭다. 그래서 별의 절대 밝기와 질량 추정치에는 큰 오차가 남아 있다. 역설적이게도 너무 가깝고 거대해서 오히려 더 알기 어려운 별인 셈이다.
우리 은하에서 초신성이 가장 최근에 터진 것은 무려 1604년으로 거슬러 올라간다. 천문학자 케플러는 뱀주인자리에서 당시 목격한 초신성을 기록했다. 이 별이 터지고 남은 잔해 구름을 케플러 초신성 잔해라고 부른다. 이 초신성은 당시 유럽뿐 아니라 우리나라의 선조실록을 포함해 동양에도 관측 기록이 남아 있다. 그로부터 400년 넘게 우리 은하 안에서는 새로운 초신성이 목격되지 않았다. 평균적으로 한 은하 안에서 50년마다 한 번씩 초신성이 터질 거라 추정하지만, 우리 은하에서 터지는 초신성은 대부분 은하 원반을 가득 채운 먼지에 가려 보기가 훨씬 어렵다.
베텔게우스가 앞으로 수십 년 안에 터진다면 드디어 정말 오랜만에 누구나 즐길 수 있는 멋진 우주쇼가 벌어지게 된다. 지구의 하늘에서는 거의 반달 정도의 밝기로 보름 내내 보일 것이다. 심지어 낮에도 볼 수 있다. 워낙 밝아서 누구나 망원경 없이 맨눈으로 볼 수 있다. 베텔게우스가 터진다고 해도 다행히 지구에 직접 피해를 주진 않는다. 위험하지 않을 만큼 멀고, 보일 만큼 가까운, 강 건너 불구경 하기에 딱 좋은 별인 셈이다. 만약 누군가 베텔게우스 곁에 살고 있다면 그들에겐 베텔게우스의 폭발이 끔찍한 최후일지도 모른다. 베텔게우스가 어서 폭발하기만을 기다리고 있는 것이 한편으론 조금 미안해진다.
지구 하늘에서 봤을 때 베텔게우스의 폭발이 얼마 남지 않은 것처럼 보인다는 이번 결과가 사실이라면, 아주 재밌는 상황을 생각해볼 수 있다. 베텔게우스까지의 거리가 대략 600광년, 즉 우린 600년 전의 베텔게우스를 보고 있다. 그런데 베텔게우스가 폭발을 겨우 100년 앞둔 별처럼 보인다? 그렇다면 베텔게우스는 이미 500년 전에 폭발을 했다는 뜻이다!
실제론 이미 별이 500년 전에 사라졌지만 우리는 600년 늦게 그 모습을 보기 때문에, 폭발 섬광의 빛이 지구에 닿기까지 앞으로 100년 정도 남았다는 뜻이다. 만약 우리가 베텔게우스 곁으로 순간이동한다면, 그곳엔 별이 사라지고 남긴 아름다운 잔해만 존재할지 모른다. 어쩌면 우리는 이미 오래전 우주에서 사라진 베텔게우스의 잔상을 보고 있는 건 아닐까.
참고
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023arXiv230600287S/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac7853
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abb8db
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
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