4분 읽기 + 1분 24초 영상
- '24년 4월 10일 밤,초신성 SN 2024ggi,약 2,200만 광년 거리 나선은하 NGC 3621에서 폭발
- 폭발의 근원은 태양 질량의 12~15배, 태양의 500배에 달하는 반지름을 가진 적색 초거성
- 별 표면에서 분출된 물질은 처음에는 대칭적,타원형이었으며, 그 모양은 올리브와 비슷
- 대칭성은 일부 초신성 모델을 반박한다

초신성 초기 단계 최초 관측
천문학자들, 별 표면을 뚫고 나오는 충격파 폭발 최초 관측

천문학자들이 초신성의 초기 단계, 즉 폭발의 충격파가 별 표면을 뚫고 나오는 순간을 최초로 관측했다. 이 데이터는 폭발의 실제 형태를 보여주었다. 초신성의 충격파는 별 표면에서 올리브 모양의 대칭적인 형태로 방출됐다. 이는 붕괴 초신성의 메커니즘에 대한 귀중한 정보를 제공하며, 연구팀이 "Science Advances"에 보고한 바와 같이 기존 모델 중 일부를 반박한다. 

▲ 천문학자들은 최초로 초신성 폭발의 충격파가 별 표면을 뚫고 나오는 것을 관찰했다. © ESO/L. Calçada

거대 별이 초신성으로 폭발할 때, 엄청난 양의 에너지가 복사와 빠르게 움직이는 입자의 형태로 방출된다. 폭발의 섬광은 수백만 광년 떨어진 곳에서도 관측 가능하다. 하지만 지금까지 이러한 핵붕괴 초신성의 초기 단계가 어떤 모습인지는 불분명했다. 별의 핵이 붕괴된 후 바깥쪽으로 퍼져 나가는 충격파가 별 표면을 뚫고 나올 때 대칭을 이루는 것일까? 아니면 이미 분열되어 방출되는 것일까? 이 점에 대해서는 여러 모델이 엇갈렸다.

초신성 경보

이제 천문학적 행운이 답을 제시했다. 칭화대학교의 이양(Yi Yang)이 이끄는 연구팀은 적절한 장비를 사용하여 초신성을 충분히 일찍 관측하는 데 처음으로 성공했다. 초신성 SN 2024ggi는 2024년 4월 10일 밤, 약 2,200만 광년 떨어진 나선 은하 NGC 3621에서 폭발했다. 폭발의 근원은 태양 질량의 12~15배, 태양의 500배에 달하는 반지름을 가진 적색 초거성으로, 거대 별 폭발의 전형적인 사례다.

▲ 초거대망원경(VLT)이 촬영한 이 사진은 2024년 4월 11일에 촬영한 NGC 3621 은하의 초신성 SN 2024ggi를 보여준다. © ESO/ Y. Yang 외

양 교수를 포함한 전 세계 천문학자들에게 자동 경보가 즉시 전송되었다. 그는 칠레에 있는 유럽 남방 천문대(ESO)의 초대형 망원경(VLT) 관측 시간을 즉시 요청했다. 이를 통해 연구팀은 초신성 발견 후 불과 26시간 만에 FORS2 분광기를 사용해 초신성을 관측할 수 있었다. 이는 폭발 충격파가 별 표면을 어떻게 뚫고 지나갔는지 관찰하기에 충분한 시간이었다. FORS2는 분광 편광 측정법을 사용하여 이를 시각화하는데, 이를 통해 방출된 편광의 방향과 스펙트럼을 확인할 수 있다.

이전보다 훨씬 빠르게

이를 통해 연구팀은 최초로 이 초신성 충격파의 초기 형태를 추적할 수 있었다. 양 교수는 "초신성 폭발의 기하학적 구조는 별의 진화와 이 우주의 불꽃놀이를 일으키는 물리적 과정에 대한 기본적인 정보를 제공한다"고 설명했다. 그러나 충격파가 별의 외층과 주변 환경의 물질과 충돌하는 순간, 이 초기 형태는 변하고 정보는 손실된다.

따라서 타이밍이 매우 중요한데, 이번에는 양 박사의 팀이 충분히 빠르게 진행했다. 이를 통해 처음으로 핵 붕괴 초신성의 초기 단계를 관측할 수 있었다. 연구진은 "SN 2024ggi 관측 캠페인을 통해 이처럼 단명한 사건에 대한 두 가지 가장 초기 분광 편광 데이터 세트 중 하나를 확보했다"고 보고했다. "다른 하나는 초신성 SN 2023ixf의 충격파 폭발 후 1.36일 후에 측정되었다."올리브 모양 폭발

관측 데이터는 별의 충격파의 첫 광자가 죽어가는 별의 표면에서 어떻게 분출되었는지 보여주었다. 양 박사와 동료들은 "나머지 충격파는 여전히 별의 광학적으로 밀도가 높은 대기, 즉 별 주위 매질에 박혀 있었다"고 보고했다. 별 표면에서 분출된 물질은 처음에는 대칭적이고 타원형이었으며, 그 모양은 올리브와 비슷했다. 폭발은 이후 몇 시간 동안 바깥쪽으로 퍼져 나가면서 별의 외층 물질과 충돌했다. 이로 인해 별의 모양은 납작해졌지만, 대칭성과 방향은 그대로 유지되었다고 천문학자들은 보고했다.

대칭성은 일부 초신성 모델을 반박한다

이를 통해 천문학자들은 초신성 생성 과정과 그 추진력에 대한 중요한 통찰력을 얻었다. 새로운 데이터는 일부 기존 초신성 모델을 반박하고 다른 모델들을 개선한다. 예를 들어, SN 2024ggi에서 발생한 충격파의 대칭적인 모양은 소규모 불안정성이나 중성미자의 영향으로 비정형적이고 비대칭적인 폭발이 발생한다는 일부 모델을 배제한다. 오히려 폭발은 별의 표면을 뚫고 나가면서도 대칭성을 유지한다.

양 교수는 "이러한 결과는 많은 거대 별의 폭발을 유발하는 공통적인 물리적 메커니즘을 시사한다. 즉, 명확하게 정의된 축 대칭을 보이고 대규모로 작용한다는 것이다"고 설명했다. 따라서 이 메커니즘은 초기 충격파 분출부터 팽창 단계까지의 폭발을 형성한다.

참고: Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adx2925
출처: European Southern Observatory 유럽 남방 천문대(ESO)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]