별의 진화이론을 뒤집는 초신성

 

<사진 1 : 2005년 지상에서 촬영된 물고기자리, NGC 266의 초신성 폭발 장면>

 

 

허블우주망원경이 초신성폭발이 발생한 2005년 바로 이전에,  태양보다 100만배나 밝았던 별을 식별해냈다. 

별의 진화에 관한 최근의 연구에 의하면 별이 이처럼 생애 초반에 스스로 파괴되는 것은 있을 수 없는 일이다.

 

이스라엘 레호보트 바이츠만 과학원의 아비세이 갈얌(Avishay Gal-Yam)은 이번 발견은 무거운 질량을 가진 별의 진화양상에 대한 그간의 연구가 완전히 잘못되었다는 것을 의미하는 것일 수도 있다고 말했다.

 

이번 초신성 폭발로 생을 마감한 별은 태양 질량의 100배 정도의 질량을 가졌던 별로 추측되는데 기존 이론에서 말하는 "거대한 질량의 철핵"을 가지고 있기에는 충분히 성숙한 단계에 다다르지 않은 별이었다.

별의 핵이 충분히 무거운 철핵을 가져야 한다는 사실은 초신성 폭발을 촉발시키는 핵의 파괴를 위한 필요조건에 해당한다.

 

이번 발견은 2009년 3월 22일 네이처지 온라인판에 발표되었다.

 

 

<사진 2 : 1997년 허블이 촬영한 초신성 폭발 이전의 가시광선 이미지.

초신성 폭발의 근원이 된 별의 위치는 가장 하단에 있는 '사진 5'의 하단 좌측 사진을 참고할 것.

이 별의 밝기를 허블이 측정한 결과는 절대등급 -10.3으로서 이는 태양 밝기의 1백만배에 해당하는 밝기이다.

 (이 은하까지의 거리가  2억 1천 5백만 광년 떨어져 있고 광도는 거리의 제곱에 반비례하므로, 은하까지의 엄청난 거리로 인해 상대적으로 흐리게 보이는 것이다.)> 

 

 

막대나선은하 NGC 266에서 발생한 SN 2005gl로 불리는 초신성 폭발은 2005년 10월 5일에 목격되었다.

 

초신성 폭발이 발생하기 이전인 1997년에 이 은하를 촬영한 기록이 남아 있는데 이 사진에서는 초신성 폭발의 원천이 된 절대광도가 -10.3에 달하는 매우 밝은 점이 촬영되어 있었다.

이 별의 밝기가 너무 밝아서 이 별은 청색변광성이라는 유형의 별로 추측되었다.

갈얌은 기본적으로 이처럼 큰 밝기를 지닌 별이 이와 같이 순식간에 초신성폭발을 일으킨 적은 없었다고 말했다.

청색변광성 부류에 해당하는 별들은 폭발적인 별폭풍을 통해 질량의 상당부분을 우주공간에 쏟아내는 진화과정을 거치게 된다.

그래서 핵의 주요구성성분으로 철이 남게 되는 바로 그때, 철핵의 붕괴가 궁극적으로 초신성폭발을 일으키게 되는 것이다.

 

우리은하의 에타 카리네와 같이, 태양 질량의 100배를 상회하는 극단적인 질량을 가진 별들은 초신성 폭발로 일생을 마감하기전에 수소로 구성된 거의 모든 껍질을 우주공간에 방출하는 것으로 알려져 있다.

우주망원경과학 연구소의 초신성전문가 마리오 리비오(Mario Livio)는 다음과 같이 말한다.
"이번 관측이 시사하는 바는 청색변광성의 진화와 최후에 대한 여러 세부내용들이 여전히 미스테리로 남아 있다는 점입니다.
우리는 에타 카리네에 계속 우리의 관심을 기울여야 할 것입니다.
이 별이 우리를 다시 놀라게 할지도 모르는 일이니까요."
 

이번 발견의 의미에 대하여 공동저자인 샌디에이고 주립대학의 더글러스 레오나드의 견해는 다음과 같다.
"이번 발견은 최소한 몇몇 경우에 있어서 거대한 질량을 가진 별들이 그들의 수소껍데기를 벗어버리기도 전에 폭발할 수 있다는 사실을 보여주는데 이는 별을 구성하는 핵과 표피부의 진화가 이전에 우리가 생각해왔던 바와는 달리 그리 상관관계가 크지 않을 수도 있음을 시사합니다.
이번 발견을 통해 결국 별의 진화이론에 대한 수정이 필요하게 된 듯 합니다."

SN 2005gl의 원인이 된 별에 대한 한가지 가능성은 이 별이 사실은 쌍성계였지만 하나로 뭉쳐졌다는 의견이다.

이러한 사건으로 인해서 핵반응이 가속화되면서 별을 엄청나게 밝게 만들었고 원래 예정된 것보다 훨씬 바른 속도로 진화를 촉발시켰다는 것이다.   

 

갈얌의 의견은 이렇다.
"이것은 또한 초신성 폭발을 일으키는 또 다른 메커니즘이 존재하는 것은 아닐까 하는 의문을 던져주기도 합니다.
 아마도 우리가 엄청나게 밝게 빛나는 별들이 어떻게 자신의 질량을 잃어가는지에 대한 아주 기초적인 이해조차도 놓치고 있는 것인지도 모릅니다.

 

 

<사진 3 : 2005년 11월 11일 켁 망원경으로 촬영한 초신성 폭발의 근적외선 사진.  사진 2와 비교하면 어느지정에서 폭발이 일어났는지를 가늠할 수 있다.>

 

 

 

 

갈얌은 이번 관측을 통해 이 별이 초신성 폭발을 통해 원래 자신의 몸집을 구성하던 질량중 아주 일부만을 분출했다고 보고했다.

갈얌에  의하면 이 별을 구성하던 물질의 대부분은 붕괴하는 핵 속으로 빨려들어갔고 아마도 태양질량의 최소 10배에서 15배 정도로 예측되는 블랙홀이 형성되었을 가능성이 있다고 한다.

 

갈얌과 레오나드는 1997년 촬영된 NGC 266 사진에서 이번 폭발을 발생시킨 별을 지목해냈다.

이 별은 워낙 밝기 때문에 이를 찾아내는 것은 매우 쉬운 작업이었다.

그러나 이처럼 먼 거리에 위치한 천체에서 이러한 작업을 가능케 한 것은 허블이 제공하는 고해상도 이미지에 의해서만 가능한 것이었다.

또한 연구팀은 은하의 외곽 나선팔에서 발생한 초신성 폭발의 위치를 정확하게 측정하기 위해 켁 망원경을 사용하기도 했다.

그리고 2007년 허블을 통한 관측에서 그처럼 밝게 빛났던 별이 사라졌다는 것을 명백히 알 수 있었다. 

이번 관측의 확실성을 위해 천문학자들은 1997년에 사용된 카메라와 동일한 허블의 WFPC2를 사용하였다.

 

이전 허블 관측에서도 초신성 폭발의 근원이 될만한 후보로서의 몇몇 사례가 보고되기도 했었다.
그러나 의심할 여지없이 명백하게 초신성 폭발의 근원이 되는 경우로 인정된 예는 SN 1987A를 만들어낸 청색거성의 예였다.
SN 1987A의 경우, 초신성 폭발의 근원이 된 별이 한때는 적색거성이었다가 막판 단계에서는 청색거성 상태로 회귀한 것으로 생각되었다.
이 사건 역시 초신성 폭발이론에 대한 많은 재작업을 초래한 사건이었다.

 

이번에 갈얌이 관측한 초신성폭발의 근원이 된 별의 경우는 너무나 거대한 질량을 가지고 있어서 적색 거성 단계에서나 발생할 수 있는 진동정도로는 폭발할 수 없는 별이며, 갈얌은 바로 이러한 이유로 초신성폭발에 대한 새로운 설명이 필요하지 않을 수 없다고 말하고 있다.

 

 

<사진 4 : 2007년 9월 26일에 촬영된 허블의 가시광 이미지.  사진 2, 3과 비교해보면 중앙에 원래 존재했던 밝은 점이 사라지고 보이지 않음을 알 수 있다.>

 

 

 

 

 

<사진5 : 조합사진 >

 

 

 

* '허블사이트'의 게시물들은  허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.

   본 내용은 2009년 3월 22일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has identified a star that was one million times brighter than the sun before it exploded as a supernova in 2005. According to current theories of stellar evolution, the star should not have self-destructed so early in its life. "This might mean that we are fundamentally wrong about the evolution of massive stars, and that theories need revising," says Avishay Gal-Yam of the Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel.

The doomed star, which is estimated to have had about 100 times our sun's mass, was not mature enough, according to theory, to have evolved a massive iron core of nuclear fusion ash. This is the prerequisite for a core implosion that triggers a supernova blast.

The finding appears today in the online version of Nature Magazine.

The explosion, called supernova SN 2005gl, was seen in the barred-spiral galaxy NGC 266 on October 5, 2005. Pre-explosion pictures from the Hubble archive, taken in 1997, reveal the progenitor as a very luminous point source with an absolute visual magnitude of -10.3.

The progenitor was so bright that it probably belonged to a class of stars called Luminous Blue Variables (LBVs), "because no other type of star is as intrinsically brilliant," says Gal-Yam. As an LBV-class star evolves it sheds much of its mass through a violent stellar wind. only at that point does it develop a large iron core and ultimately explodes as a core-collapse supernova.

Extremely massive and luminous stars topping 100 solar masses, such as Eta Carinae in our own Milky Way Galaxy, are expected to lose their entire hydrogen envelopes prior to their ultimate explosions as supernovae. "These observations demonstrate that many details in the evolution and fate of LBVs remain a mystery. We should continue to keep an eye on Eta Carinae - it may surprise us yet again," says supernova expert Mario Livio of the Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.

"The progenitor identification shows that, at least in some cases, massive stars explode before losing most of their hydrogen envelope, suggesting that the evolution of the core and the evolution of the envelope are less coupled than previously thought, a finding which may require a revision of stellar evolution theory," says co-author Douglas Leonard from San Diego State University, Calif.

One possibility is that the progenitor to SN 2005gl was really a pair of stars, a binary system that merged. This would have stoked nuclear reactions to brighten the star enormously, making it look more luminous and less evolved than it really is. "This also leaves open the question that there may be other mechanisms for triggering supernova explosions," says Gal-Yam. "We may be missing something very basic in understanding how a superluminous star goes through mass loss."

Gal-Yam reports that the observation revealed that only a small part of the star's mass was flung off in the explosion. Most of the material, says Gal-Yam, was drawn into the collapsing core that has probably become a black hole estimated to be at least 10 to 15 solar masses.

Gal-Yam and Leonard located the progenitor in archival images of NGC 266 taken in 1997. It was easily identifiable only because it is so superluminous. only Hubble could clearly resolve it at such a great distance.

The team then used the Keck telescope to precisely locate the supernova on the outer arm of the galaxy. A follow-up observation with Hubble in 2007 unequivocally showed that the superluminous star was gone. To make sure the new observation was consistent with the 1997 archival image, the astronomers used the same Hubble camera used in 1997, the Wide Field Planetary Camera 2.

Finding archival images of stars before the stars explode as supernovae isn't an easy task. Several other supernova progenitor candidates have been reported prior to the Hubble observation. The only other absolutely indisputable progenitor, however, was the blue supergiant progenitor to SN 1987A. In the case of SN 1987A, it was thought that the progenitor star was once a red supergiant and at a later stage evolved back to blue supergiant status. This led to a major reworking of supernova theory. The progenitor star observed by Gal-Yam is too massive to have gone through such an oscillation to the red giant stage, so yet another new explanation is required, he says.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Avishay Gal-Yam
Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel
011-972-8-934-2063
avishay.gal-yam@weizmann.ac.il