별들의 최후, 초신성(supernova)은 무엇인가?

 

  초신성을 가리키는 영어단어 'supernova' 는 '신성'을 가리키는 라틴어 'Nova' 에서 따왔으며, 이는 하늘에서 매우 밝게 빛난다는 뜻을 가진다. 또 'super' 은 하늘에서 빛나는 신성들 중에서도 매우 밝게 빛나는 신성을 뜻하는 단어에서 비롯되었다.
  초신성은 항성의 폭발로 이루어진 매우 밝은 매우 밝은 물체이다. 초신성은 폭발시 몇 주 뒤 사라지기 전까지 은하계에 엄청난 양의 방사선을 방출한다. 이 짧은 간격동안 초신성은 태양이 100억년 동안 방출하는 양의 에너지를 방출한다. 이 폭발은 별들이 가지고 있는 모든 에너지들을 빛의 속도의 10%의 속도로 주위의 성간을 향해 방출한다.

  초신성이 발생되는 과정에는 2가지 방법이 있다. 하나는 별들의 중심에서 더 핵융합할 수소가 떨어지게되면 헬륨을 융합하는데, 계속 이렇게 융합을 하다가 나중에 철에 이르러서야 더이상 핵융합을 할 수 없게 된다면 복사압에 전보다 매우 줄어들어 스스로의 중력을 이기지 못하고 수축하게 되 중성자별이나 블랙홀로 중력붕괴하게 된다(아래에 나오겠지만 이 경우를 II 형이라고 한다) . 다른 방법으로는 백색왜성이 쌍성으로 부터 에너지를 받아서  Chandrasekhar 한계 ( 찬드라세카 한계, 중력에 의한 수축에 대해 전자축퇴압(전자끼리 서로 반발하려는 힘)으로 견딜 수 있는 별의 무게의 한계, 그 값은 태양의 질량의 약 1.38배 정도 된다. ) 보다 증가하게 되면 열핵폭발을 하게 된다. 이 어느 방법으로 초신성폭발을 하게 되어도 엄청난 양의 항성물질을 우주공간으로 내뿜는다.  

  이 초신성의 폭발은 우주공간에 초신성 잔해를 형성하며 폭발파를 우주공간으로 내뿜는다. 초신성 폭발을 통해서 산소보다 더 무거운 원소들을 만들 수 있게 되었다. 초신성은 이를 통해 무거운 원소들을 별들의 형성에 필요한 '성간매질'에 주입하며 별 형성에 필요한 분자구름을 농축하게 된다. 이를 통해 45억년 전, 우리 태양계가 태어나게 된 것이다. 결론적으로 따지고 보면 사실 우리는 '별들의 자손' 인 셈이다. 우리의 뼈가 초신성 폭발의 칼슘으로 부터, 우리의 피의 헤모글로빈에 들어 있는 철이 초신성 폭발의 철로 부터 만들어 진 것으로 보자면 말이다. 평균적으로 우리 은하에선, 50년에 한 번 꼴로 초신성 폭발이 일어난다고 한다.
 

  초신성을 분류할 때, 천문학자들은 초신성을 스펙트럼에 나타나는 선의 차이에 따라 분류하였다. 제일 첫번째로 분류할 원소는 바로 수소에 의한 선이다. 만약 초신성의 스펙트럼에 수소의 선이 포함되어 있다면 (예를 들자면 발머계열의 선들) , 초신성은 Type II 로 분류된다. 만약 없다면 초신성은 Type I 로 분류된다. 그리고 각각에 분류에 따라서 다른 선의 존재유무와 빛 곡선의 모양에 따라서 더 세부적으로 분류한다.
 

동그라미 쳐진것이 초신성이다.

종류	특징
Type I
Type Ia	수소가 부족하고, 최대광 근처 615.0nm 에 이온화된 실리콘(Si II) 가 있다.
Type Ib	587.6nm 근처에 이온화된 헬륨이 보이지도 않고, 또 615nm 근처에 실리콘 흡수도 보여지지 않는다.
Type Ic	헬륨 선들이 보이지도 않고, 또 실리콘 흡수도 일어나지 않는다.
Type II
Type IIP	빛 곡선의 모양이 평탄함(plateau)
Type IIL	빛 곡선의 모양이 선형임(linear)

<참고로 Type Ia 처럼 이렇게 쓴 것은 편의상 이렇게 쓴 것으로 실제 한국어로 번역하자면 초신성 Ia 형 이 맞는 말이다>

 Type Ia

Type Ia 초신성

  많은 종류의 초신성들이 이 Ia 형을 따라갈 수 있지만, 그 모든 초신성들은 다음과 같은 한 메커니즘을 따라가고 있다. 만약에 탄소-산소로 이루어진 백색왜성이 쌍성으로 부터 찬드라세카 한계에 이르기 까지에 충분한 양의 에너지를 흡수한다면 점점 자체의 거대한 중력으로 인해 붕괴하기 시작한다.
   그러나 현재 학계에서는 이 이론이 받아들여진 상태가 아니다. 왜냐하면 온도의 증가로 인해 핵 속에서 열-탄소 핵융합을 할 때, 찬드라세카 한계의 1% 이내에도 붕괴가 시작되는 것이다. 결국 구체적인 내용은 아직 미지로 남아있다. 그 후 몇 초 이내로 백색왜성의 중요 물질은 핵융합을 시작하고 이 열핵연소로 일어나는 1–2 × 10⁴⁴ J 의 에너지는 별을 격렬하게 폭발을 하며 5000~20000km/s 의 속도로 충격파를 방출한다. 이 또한 별을 매우 밝게 만들어 절대광도 ( 우리의 눈에서 보이는 별들의 광도가 아닌 모든 별들을 동일한 위치에 놓고 보았을 때, 보이는 별의 밝기, 대략 10 파섹 정도의 거리에 놓고 본다 ) 가 -19.3 도 (태양의 50억 배) 까지 밝아진다.
 
 Type Ib, Ic 
 

Type Ib 초신성

   Type Ib, Ic 형의 모습을 보이는 초신성들은 대개 Type II 처럼 중심부 부터 연료가 점차 떨어저 가는 거대한 별일 것이다. 하지만 Type II 와 다른 점은 Type Ib와 Ic 는 항성풍이나 쌍성의 작용으로 인해 외피층 ( 수소 ) 를 대부분 잃어버렸다는 점이다. 또한 Type Ib 는 Wolf-Rayet 별의 붕괴결과라고 추측되며, Type Ic 형은 감마선 폭발의 원형이라고 추측된다.

Type II

  태양보다 최저 9배 이상의 질량을 가진 거대한 별들은 자신의 죽음을 다른 방식으로 맞이한다. 항성의 중심부에서는 매초 589톤의 수소가 584톤의 헬륨으로 융함되며 이 4.3 톤의 질량차이가 질량에너지등가법칙 (E=mc²) 에 의해서 에너지를 발산해  유체역학적평형(hydrostatic equilibrium)을 이루면서 중력붕괴를 막는다. 하지만 항성의 수소가 다 고갈되었다면 항성은 더이상 융함시킬 수소가 없기때문에 바깥쪽으로 작용하는 복사압을 만들어 내지 못해 자체중력으로 인해 붕괴를 시작한다. 항성의 중심부가 수축하면 다시 항성의 중심부의 온도는 증가하게 되어서 헬륨을 융합시킬 적당한 온도가 유지되어 헬륨 융합을 통해 탄소층을 형성한다, 이로써 다시 중력붕괴를 견딜 에너지를 생성하는 것이다.

원소 껍질들

  결국에는 양성자 연쇄 반응을 통해 수소를 헬륨으로, 헬륨은 삼중 알파 반응을 통해 탄소로, 탄소와 헬륨은 산소로, 산소는 네온으로 융합하며, 네온은 마그네슘으로, 마그네슘은 실리콘으로, 그리고 마침내 실리콘은 철로 융합된다. 이 원소들은 하나씩 융합될 때 마다 층을 하나씩 형성하는데, 이는 별을 마치 양파처럼 만들어 준다. 철은 더이상 융합을 하지 않기 때문에, 에너지를 생성할 수 없으다.하지만 오직 전자쌍들의 반발로 인한 전자축퇴압으로만 견뎌낼 수 있는데, 이런 별들은 아주 커다랗기 때문에, 찬드라사케 한계를 훌쩍 뛰어넘는다. 이를 통해 철의 중앙핵은 붕괴하게 되며 광붕괴(photodisintegration)를 통해 13개의 헬륨과 4개의 중성자로 분해되는데 이 과정에서 에너지가 발생하지 않기 때문에 별의 마지막 몸부림은 끝이나게 된다.  

Type II 폭발 메카니즘

  이는 중력붕괴로 야기되며, 항성의 중심부는 70000km/s 의 속도로 수축을 하게 된다. 이를 통해서 항성의 중심부의 온도와 압력은 기하급수적으로 증가하게 되는데, 전자와 양성자는 놀랍게도 핵간의 척력을 이겨낼 정도로 가까이 모아지게 된다. 전자포획이라는 이 과정은 중성자를 생성하고 중성미자를 방출하게 된다. 중성미자는 에너지를 핵에서 가지고 나오는데, 대략 10초동안의 시간동안 중성미자는 10⁴⁶ J 의 에너지를 방출하며 이는 항성 전체의 양의 10%에 맞먹는 양이다. 그런데 놀랍게도 방출된 에너지 중 1%의 에너지가 항성에 재흡수되어 대폭발을 야기시키는데 이는 설명하는 이론은 아직 입증되지 않았다.