별의 가장 드라마틱한 최후 — 초신성과 중성자별 | 우주 여행 Wiki

잠깐 손을 내려다보십시오. 손가락에 낀 금반지, 몸속의 혈액을 붉게 만드는 철, 뼈를 단단하게 만드는 칼슘 — 이것들은 어디서 왔을까요?

답은 충격적입니다. 그것들은 죽어가는 별의 내장에서 만들어진 것입니다. 수십억 년 전, 지금의 태양보다 수십 배 무거운 별이 자신의 핵을 태우고 또 태우다가, 마침내 더 이상 버틸 수 없는 순간을 맞이했습니다. 그 찰나의 대폭발 속에서 원소들이 탄생했고, 우주 공간으로 흩어져 떠돌다가, 수십억 년 후 우리 태양계의 먼지가 되었고, 결국 당신의 몸을 구성하게 되었습니다.

우리는 모두 별의 유산입니다.

핵연소의 끝 — 철의 함정

별의 일생은 핵융합의 연쇄입니다. 수소가 헬륨으로, 헬륨이 탄소로, 탄소가 산소로, 산소가 실리콘으로, 그리고 마침내 철로 융합됩니다. 여기서 별의 운명이 결정됩니다.

철은 핵융합에서 에너지를 내지 않습니다. 오히려 에너지를 집어삼킵니다. 철이 쌓이기 시작하면 별의 핵은 더 이상 에너지를 생산하지 못하고, 수십억 년간 버텨온 중력과의 균형이 단 0.1초 만에 무너집니다. 태양 몇 배 크기의 핵이 도시 하나 크기(반지름 약 10~20 km)로 찌그러지는 시간이 바로 0.1초입니다. 이 순간 방출되는 에너지가 별 외층을 우주로 날려 보냅니다 — 이것이 **초신성(Supernova)**입니다.

초신성의 세 가지 얼굴

초신성은 하나가 아닙니다. 메커니즘에 따라 세 가지로 분류됩니다.

유형	별칭	원인	최대 광도	특징
Ia형	열핵 초신성	백색왜성의 질량 한계 초과	절대 등급 약 -19.3	광도 일정 → 표준 촛불
II형	핵붕괴 초신성	거대 별의 철 핵 붕괴	절대 등급 약 -17	수소 스펙트럼 있음
Ib/c형	박피 핵붕괴 초신성	외층 잃은 거대 별 붕괴	절대 등급 약 -17	수소(Ib) 또는 헬륨(Ic) 없음

Ia형 초신성에는 특별한 비밀이 있습니다. 이 초신성은 어디서 터지든 광도가 거의 동일합니다. 백색왜성이 태양 질량의 1.44배(찬드라세카르 한계)에 도달했을 때 폭발하기 때문에, 폭발 에너지가 언제나 일정합니다. 이것은 우주 측량의 완벽한 자로 사용될 수 있습니다.

1998년 — 초신성이 암흑에너지를 발견하다

1998년, 두 연구팀이 경쟁적으로 먼 우주의 Ia형 초신성을 관측했습니다. 그들의 목표는 우주 팽창 속도가 얼마나 느려지고 있는지 측정하는 것이었습니다. 중력이 팽창을 늦추는 것은 당연하다고 믿었기 때문입니다.

결과는 충격이었습니다. 먼 초신성들이 예상보다 더 어두웠습니다 — 더 멀리 있다는 뜻이었습니다. 우주 팽창이 느려지는 것이 아니라, 오히려 가속되고 있었습니다. 무언가 보이지 않는 힘이 우주를 밀어내고 있었습니다. 이 발견은 암흑에너지의 존재를 처음으로 증명했고, 솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스는 2011년 노벨 물리학상을 받았습니다.

Ia형 초신성 하나가 우주 에너지의 68%를 차지하는 미지의 존재를 발견하게 해준 것입니다.

중성자별 — 붕괴의 산물

핵이 붕괴된 후, 태양 질량의 8~20배 정도인 별의 경우 핵은 중성자만으로 이루어진 기이한 천체로 남습니다. 이것이 중성자별입니다.

[중성자별 물리적 특성]

직경         : 약 20 km (서울 ~ 수원 거리)
질량         : 태양의 1.4 ~ 2.3배
밀도         : 약 4×10¹⁷ kg/m³
               → 티스푼 한 숟가락(5 mL) = 약 10억 톤
               → 에베레스트 산 전체 질량보다 무거움
표면 중력    : 지구의 약 2×10¹¹ 배
               → 1 mm 높이에서 떨어진 물체가 표면 도달 시
                  속도 약 700,000 km/h
표면 온도    : 약 100만 K (갓 탄생 시 수천억 K)
자전 속도    : 최대 초당 716회 (PSR J1748-2446ad)
자기장       : 지구의 약 10^8 ~ 10^12 배

중성자별 내부로 들어가면 물질은 우리가 알고 있는 어떤 상태와도 다릅니다. 원자핵들이 서로 맞붙어 있는 상태입니다. 그리고 더 깊은 내부에는 아직 인류가 완전히 이해하지 못한 물질 상태가 존재할 수 있습니다 — 쿼크들이 분리되어 자유롭게 돌아다니는 쿼크-글루온 플라즈마, 소위 '쿼크 수프'입니다.

1967년의 미스터리 — 외계인인 줄 알았다

1967년 11월, 영국 케임브리지대학의 대학원생 조슬린 벨 버넬은 전파 망원경 기록지를 분석하다가 이상한 신호를 발견했습니다. 1.337초마다 정확하게 반복되는 전파 펄스였습니다.

너무 규칙적이었습니다. 어떤 자연 현상도 이렇게 정확하게 반복되지 않습니다. 버넬과 그의 지도교수 안토니 휴이시는 처음에 진지하게 고려했습니다 — 이것이 외계 문명의 신호일지도 모른다고. 그들은 이 신호에 농담처럼 'LGM-1'이라는 이름을 붙였습니다. LGM은 'Little Green Men(작은 녹색 외계인)'의 약자였습니다.

물론 이것은 외계인이 아니었습니다. 이것은 초신성 잔해인 펄사(Pulsar) — 자전하는 중성자별이었습니다. 중성자별은 자기장 극에서 전파 빔을 방출하는데, 등대처럼 회전하면서 그 빔이 지구를 주기적으로 훑고 지나갔던 것입니다.

펄사 — 원자시계보다 정확한 우주의 시계

펄사의 자전 안정성은 경이롭습니다.

시계 유형	정확도(하루 오차)
일반 시계	수십 초
쿼츠 시계	약 0.01초
원자시계	약 10⁻¹⁴초
밀리초 펄사	약 10⁻¹⁵초 이하

밀리초 펄사는 원자시계보다도 더 안정적입니다. 과학자들은 여러 펄사를 조합한 펄사 타이밍 어레이로 중력파를 탐지하는 실험을 진행 중이기도 합니다. 조슬린 벨 버넬이 LGM-1이라 불렀던 그 신호가, 60년 뒤에는 중력파 탐지의 도구가 된 것입니다.

별의 죽음은 끝이 아닙니다. 그것은 우주의 역사를 기록하는 가장 정확한 시계의 탄생이기도 하고, 당신의 몸을 이루는 원소들의 탄생이기도 합니다.

별의 가장 드라마틱한 최후 — 초신성과 중성자별