초신성 폭발 없이 별이 블랙홀로 붕괴하다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-02-13 22:40:22
4분 읽기
- 항성의 핵융합 활동이 계속 감소하면 항성은 자체 중력의 압력으로 붕괴
- 초신성 폭발 실패:바깥쪽으로 향하는 충격파가 별의 외층을 방출하고 폭발을 일으킬 만큼 충분히 강하지 않을 때 발생
- 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀이 될 수 있다는 최초의 직접적인 증거
거대 항성의 최후는 대개 정해져 있다. 먼저 적색 거성으로 팽창하면서 가스 외피의 일부를 방출한다. 항성의 핵융합 활동이 계속 감소하면 항성은 자체 중력의 압력으로 붕괴한다. 이 붕괴 과정에서 충격파가 발생하여 바깥쪽으로 퍼져나가면서 별이 폭발하는데, 이것이 바로 초신성 폭발이다.
폭발 없이 붕괴?
하지만 또 다른 시나리오가 있다. 이론에 따르면, 별의 마지막 초신성 폭발은 실패할 수도 있다. 이는 핵에서 바깥쪽으로 퍼져나가는 충격파가 별의 외층을 방출하고 폭발을 일으킬 만큼 충분히 강하지 않을 때 발생한다. 결과적으로, 별은 초신성처럼 밝게 빛나지 않고 곧바로 블랙홀로 붕괴한다. 뉴욕 컬럼비아 대학교와 플랫아이언(Flatiron) 연구소의 키샬레이 드(Kishalay De)와 그의 동료들은 "그런 별은 갑자기 사라질 것이다"고 설명했다.
그렇다면 우주에서도 이런 일이 일어날까? 그리고 어떤 상황에서 초신성 폭발이 실패할까? 지금까지는 명확한 관측 자료가 부족했기 때문에 이에 대한 정보가 거의 없었다. 드 교수는 "초신성은 몇 주 동안 은하 전체보다 훨씬 밝게 빛나기 때문에 찾기가 쉽다"며. "하지만 폭발 없이 그냥 사라지는 별을 관측하는 것은 매우 어렵다"고 설명했다.
따라서 데 교수와 그의 천문학자 연구팀은 이러한 직접 붕괴 현상의 특징적인 징후를 찾기 위해 특별히 연구를 진행해 왔다. 연구진은 2009년부터 2022년까지 WISE 우주망원경으로 관측한 데이터에서 이전에 밝았던 별들이 사라진 흔적을 찾았다. 이론에 따르면, 초신성 폭발이 실패한 후에는 별의 먼지와 가스에서 방출된 열로 인해 희미한 적외선 빛만 남아야 한다.
처음에는 매우 밝았지만, 나중에는 거의 보이지 않게 되었다.
천문학자들은 마침내 그들이 찾던 것을 발견했다. 바로 우리 은하 이웃인 안드로메다 은하에 있는 밝고 질량이 큰 별, M31-2014-DS1이었다. "이 별은 안드로메다 은하에서 가장 밝은 별 중 하나였다"고 드 연구원은 설명했다. 하지만 2014년부터 상황이 바뀌기 시작했다. 처음에는 적외선 영역에서 약간 밝아지기 시작했다. 그러나 그 후, 추가 망원경 데이터에서 나타난 것처럼 가시광선 영역에서도 급격히 어두워졌다.
천문학자들은 우리 은하 이웃인 안드로메다 은하에 있는 밝고 질량이 큰 별, M31-2014-DS1에서 그들이 찾던 것을 발견했다. 허블 우주 망원경으로 촬영한 이미지에서 이러한 현상이 특히 두드러지게 나타났다. 2012년 M31-2014-DS1은 밝게 빛났지만, 2022년에는 밝기가 이전 밝기의 1만분의 1 수준으로 떨어졌다. "마치 베텔게우스가 갑자기 사라진 것 같아요. 믿기 어려울 정도죠!"라고 데 연구원은 말했다. "하지만 안드로메다 은하에 있는 이 별에 실제로 그런 일이 일어났다.“
이 별의 흔적은 이제 중적외선 영역에서만 찾아볼 수 있는데, 그 위치에서 희미한 빛이 관측된다. 천문학자들은 "M31-2014-DS1의 이처럼 갑작스럽고 지속적인 밝기 감소는 비슷한 나이의 질량이 큰 별에서 관측되는 어떤 밝기 변화와도 다르다"고 설명했다.
실패한 초신성에서 블랙홀로
연구진에 따르면, 가장 유력한 설명은 이 별이 블랙홀로 직접 붕괴했다는 것이다. "우리는 M31-2014-DS1을 별의 외층 대부분이 안쪽으로 붕괴된, 실패한 초신성으로 해석한다"고 연구팀은 설명했다. 별의 핵과 외층의 엄청난 질량이 별의 중심부를 매우 강하게 압축하여 블랙홀이 형성된 것이다.
따라서 이는 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀이 될 수 있다는 최초의 직접적인 증거다. "이것은 아마도 제 인생에서 가장 놀라운 발견일 것이다"고 드(De)는 말했다. "이 별이 사라진 증거는 수년 동안 공개된 자료에 묻혀 있었지만, 우리가 추적하기 전까지는 아무도 알아채지 못했다.“
이번 관측은 2010년에 발생한 유사한 사건 역시 실패한 초신성이었을 가능성을 시사한다. 그러나 당시 별이었던 NGC 6946-BH1은 이번 경우보다 10배나 멀리 떨어져 있었기 때문에 자료가 이번 경우보다 명확하지 않았다. "이 두 사건을 통해 우리는 이러한 현상이 어떻게 발생하는지에 대해 많은 것을 배우게 되었다"고 공동 저자인 하버드 대학교의 모건 맥클라우드(Morgan MacLeod)는 말했다.
질량이 문제가 아니었다
M31-2014-DS1의 사례는 초신성 폭발이 실패하는 원인에 대한 초기 단서를 제공한다. 분석에 따르면 이 별은 원래 약 13태양질량의 질량을 가졌을 것으로 추정된다. 붕괴 직전, 이 별은 외층의 일부를 방출하여 약 5태양질량으로 질량이 줄어들었다. 천문학자들은 "계산에 따르면 이 5태양질량의 대부분이 내부로 떨어졌을 것이다. 그 결과, 질량이 중성자별의 최대 질량을 초과하여 블랙홀이 형성되었다"고 보고했다.
이는 초신성 폭발이 실패한 이유가 모항성의 질량이 너무 낮거나 너무 높아서가 아니라는 것을 의미한다. 데 연구원은 "이 정도 질량의 별은 일반적으로 항상 초신성 폭발을 일으킨다고 여겨진다"고 말했다. M31-2014-DS1이 폭발하지 않았다는 사실은 질량 이외의 다른 요인이 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
"아마도 별 내부의 중력, 가스 압력, 충격파 사이의 상호작용이 중요한 역할을 할 것이다"고 연구원은 설명했다. 천문학자들은 향후 관측을 통해 정확히 어떤 일이 일어나는지 밝혀내기를 기대하고 있다.
참고: Science, 2026; doi: 10.1126/science.adt4853
출처: Columbia University, Simons Foundation
- 항성의 핵융합 활동이 계속 감소하면 항성은 자체 중력의 압력으로 붕괴
- 초신성 폭발 실패:바깥쪽으로 향하는 충격파가 별의 외층을 방출하고 폭발을 일으킬 만큼 충분히 강하지 않을 때 발생
- 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀이 될 수 있다는 최초의 직접적인 증거
초신성 폭발 없이 별이 블랙홀로 붕괴하다.
거대 항성의 초신성 폭발 실패 관측
천문학자들이 초신성 폭발 없이 별이 블랙홀로 직접 붕괴하는 현상을 관측했다. 안드로메다 은하에 있는 밝고 거대한 별은 적색 거성으로 팽창했지만 폭발하지 않고 사라졌다. 연구팀은 이를 초신성 폭발 실패, 즉 별이 블랙홀로 직접 붕괴하는 최초의 확실한 증거라고 과학 저널 '사이언스'에 발표했다.
 |
| ▲ 안드로메다 은하의 밝은 별이 초신성 폭발 없이 붕괴했다. 대신 블랙홀이 직접 형성되었다(삽화). © Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab |
거대 항성의 최후는 대개 정해져 있다. 먼저 적색 거성으로 팽창하면서 가스 외피의 일부를 방출한다. 항성의 핵융합 활동이 계속 감소하면 항성은 자체 중력의 압력으로 붕괴한다. 이 붕괴 과정에서 충격파가 발생하여 바깥쪽으로 퍼져나가면서 별이 폭발하는데, 이것이 바로 초신성 폭발이다.
폭발 없이 붕괴?
하지만 또 다른 시나리오가 있다. 이론에 따르면, 별의 마지막 초신성 폭발은 실패할 수도 있다. 이는 핵에서 바깥쪽으로 퍼져나가는 충격파가 별의 외층을 방출하고 폭발을 일으킬 만큼 충분히 강하지 않을 때 발생한다. 결과적으로, 별은 초신성처럼 밝게 빛나지 않고 곧바로 블랙홀로 붕괴한다. 뉴욕 컬럼비아 대학교와 플랫아이언(Flatiron) 연구소의 키샬레이 드(Kishalay De)와 그의 동료들은 "그런 별은 갑자기 사라질 것이다"고 설명했다.
그렇다면 우주에서도 이런 일이 일어날까? 그리고 어떤 상황에서 초신성 폭발이 실패할까? 지금까지는 명확한 관측 자료가 부족했기 때문에 이에 대한 정보가 거의 없었다. 드 교수는 "초신성은 몇 주 동안 은하 전체보다 훨씬 밝게 빛나기 때문에 찾기가 쉽다"며. "하지만 폭발 없이 그냥 사라지는 별을 관측하는 것은 매우 어렵다"고 설명했다.
따라서 데 교수와 그의 천문학자 연구팀은 이러한 직접 붕괴 현상의 특징적인 징후를 찾기 위해 특별히 연구를 진행해 왔다. 연구진은 2009년부터 2022년까지 WISE 우주망원경으로 관측한 데이터에서 이전에 밝았던 별들이 사라진 흔적을 찾았다. 이론에 따르면, 초신성 폭발이 실패한 후에는 별의 먼지와 가스에서 방출된 열로 인해 희미한 적외선 빛만 남아야 한다.
 |
| ▲ 질량이 큰 별들은 대개 핵붕괴 초신성 폭발로 생을 마감한다. 이 그림은 그 전형적인 과정을 보여준다. © R.J. Hall/ CC-by-sa 3.0 |
처음에는 매우 밝았지만, 나중에는 거의 보이지 않게 되었다.
천문학자들은 마침내 그들이 찾던 것을 발견했다. 바로 우리 은하 이웃인 안드로메다 은하에 있는 밝고 질량이 큰 별, M31-2014-DS1이었다. "이 별은 안드로메다 은하에서 가장 밝은 별 중 하나였다"고 드 연구원은 설명했다. 하지만 2014년부터 상황이 바뀌기 시작했다. 처음에는 적외선 영역에서 약간 밝아지기 시작했다. 그러나 그 후, 추가 망원경 데이터에서 나타난 것처럼 가시광선 영역에서도 급격히 어두워졌다.
천문학자들은 우리 은하 이웃인 안드로메다 은하에 있는 밝고 질량이 큰 별, M31-2014-DS1에서 그들이 찾던 것을 발견했다. 허블 우주 망원경으로 촬영한 이미지에서 이러한 현상이 특히 두드러지게 나타났다. 2012년 M31-2014-DS1은 밝게 빛났지만, 2022년에는 밝기가 이전 밝기의 1만분의 1 수준으로 떨어졌다. "마치 베텔게우스가 갑자기 사라진 것 같아요. 믿기 어려울 정도죠!"라고 데 연구원은 말했다. "하지만 안드로메다 은하에 있는 이 별에 실제로 그런 일이 일어났다.“
이 별의 흔적은 이제 중적외선 영역에서만 찾아볼 수 있는데, 그 위치에서 희미한 빛이 관측된다. 천문학자들은 "M31-2014-DS1의 이처럼 갑작스럽고 지속적인 밝기 감소는 비슷한 나이의 질량이 큰 별에서 관측되는 어떤 밝기 변화와도 다르다"고 설명했다.
실패한 초신성에서 블랙홀로
연구진에 따르면, 가장 유력한 설명은 이 별이 블랙홀로 직접 붕괴했다는 것이다. "우리는 M31-2014-DS1을 별의 외층 대부분이 안쪽으로 붕괴된, 실패한 초신성으로 해석한다"고 연구팀은 설명했다. 별의 핵과 외층의 엄청난 질량이 별의 중심부를 매우 강하게 압축하여 블랙홀이 형성된 것이다.
따라서 이는 별이 초신성 폭발 없이 직접 블랙홀이 될 수 있다는 최초의 직접적인 증거다. "이것은 아마도 제 인생에서 가장 놀라운 발견일 것이다"고 드(De)는 말했다. "이 별이 사라진 증거는 수년 동안 공개된 자료에 묻혀 있었지만, 우리가 추적하기 전까지는 아무도 알아채지 못했다.“
이번 관측은 2010년에 발생한 유사한 사건 역시 실패한 초신성이었을 가능성을 시사한다. 그러나 당시 별이었던 NGC 6946-BH1은 이번 경우보다 10배나 멀리 떨어져 있었기 때문에 자료가 이번 경우보다 명확하지 않았다. "이 두 사건을 통해 우리는 이러한 현상이 어떻게 발생하는지에 대해 많은 것을 배우게 되었다"고 공동 저자인 하버드 대학교의 모건 맥클라우드(Morgan MacLeod)는 말했다.
질량이 문제가 아니었다
M31-2014-DS1의 사례는 초신성 폭발이 실패하는 원인에 대한 초기 단서를 제공한다. 분석에 따르면 이 별은 원래 약 13태양질량의 질량을 가졌을 것으로 추정된다. 붕괴 직전, 이 별은 외층의 일부를 방출하여 약 5태양질량으로 질량이 줄어들었다. 천문학자들은 "계산에 따르면 이 5태양질량의 대부분이 내부로 떨어졌을 것이다. 그 결과, 질량이 중성자별의 최대 질량을 초과하여 블랙홀이 형성되었다"고 보고했다.
이는 초신성 폭발이 실패한 이유가 모항성의 질량이 너무 낮거나 너무 높아서가 아니라는 것을 의미한다. 데 연구원은 "이 정도 질량의 별은 일반적으로 항상 초신성 폭발을 일으킨다고 여겨진다"고 말했다. M31-2014-DS1이 폭발하지 않았다는 사실은 질량 이외의 다른 요인이 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
"아마도 별 내부의 중력, 가스 압력, 충격파 사이의 상호작용이 중요한 역할을 할 것이다"고 연구원은 설명했다. 천문학자들은 향후 관측을 통해 정확히 어떤 일이 일어나는지 밝혀내기를 기대하고 있다.
참고: Science, 2026; doi: 10.1126/science.adt4853
출처: Columbia University, Simons Foundation
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
