백색왜성, 두 번의 폭발…초신성 이론 뒤흔든 첫 증거

• 일부 Ia형 초신성, 실제 이중 폭발로 발생한 첫 증거 확인

하나의 별이 두 번 폭발했다. 과학자들이 오랫동안 가설로만 제시해온 ‘백색왜성 이중 폭발’이 실제로 일어났음을 보여주는 관측 증거가 처음으로 확인됐다. 이 발견은 그동안 설명되지 않던 일부 Ia형 초신성의 발생 메커니즘에 대한 결정적 실마리를 제공한다.

칼슘 이중 껍질이 남긴 폭발의 흔적

호주 뉴사우스웨일스대학교 프리얌 다스 연구원이 이끄는 국제 공동연구팀은 대마젤란운에서 약 400년 전 발생한 초신성 잔해 ‘SNR 0509–67.5’를 관측했다. 유럽남방천문대(VLT)에 장착된 MUSE 분광기를 통해 이 천체를 분석한 결과, 중심부에 칼슘 성분이 두 겹의 껍질 형태로 퍼져 있는 것이 확인됐다. 이는 백색왜성이 폭발 이전 표면 헬륨층에서 첫 번째 폭발이 일어난 뒤, 그 충격으로 내부가 연쇄적으로 붕괴하면서 두 번째 폭발이 일어났음을 의미한다.

그동안 Ia형 초신성은 주로 백색왜성이 임계질량(찬드라세카르 한계)에 도달해 내부가 붕괴하며 폭발하는 단일 사건으로 간주돼 왔다. 하지만 일부 관측 결과는 이를 설명하지 못했고, 연구자들은 ‘임계 이전 헬륨층 폭발’이라는 이중 폭발 시나리오를 가설로만 제시해왔다. 이번 발견은 그 가설을 처음으로 뒷받침하는 실측 증거다.

초신성 이론의 확장…우주 거리 측정에도 영향

Ia형 초신성은 일정한 밝기로 폭발하기 때문에, 천문학에서는 이들을 ‘표준광원’으로 삼아 먼 은하까지의 거리를 측정하는 데 활용해왔다. 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 파악하고, 암흑에너지의 존재를 밝혀낸 결정적 도구 역시 이 Ia형 초신성이다. 따라서 이들의 폭발 메커니즘은 단순한 별의 죽음 이상으로, 우주론의 기초 공리에 해당한다.

이번 연구는 백색왜성이 반드시 임계 질량(찬드라세카르 한계)에 도달해야 폭발한다는 기존 전제를 흔들며, 헬륨층의 불안정 발화에 따른 이중 폭발 시나리오가 실제 우주에서 일어날 수 있음을 처음으로 입증했다. 이는 지금까지 설명되지 않던 일부 Ia형 초신성의 다양성과 비표준적 특성을 이해하는 데 새로운 틀을 제공한다. 백색왜성의 물질 축적 과정, 헬륨 발화 조건, 핵융합 진행 속도 등 폭발 전 단계에 대한 이론도 보다 정교한 재구성이 요구된다.

연구팀은 향후 다른 초신성 잔해에서도 유사한 칼슘층 구조나 이중 폭발의 간접적 흔적을 찾기 위한 관측을 이어갈 예정이다. Ia형 초신성의 폭발 경로가 단일하지 않다는 사실은, 우리가 측정하고 해석해온 우주의 구조와 역사에 대해서도 다시 질문을 던지게 만든다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Calcium in a supernova remnant as a fingerprint of a sub-Chandrasekhar-mass explosion