초신성 폭발은 왜 일어나는가?

별을 폭발시키기는 생각만큼 쉽지 않다. 초신성 모형들은 지금까지도 별의 폭발을 재현하지 못하고 있다.
글 | Wolfgang Hillebrandt, Hans-Thomas Janka, Ewald Mulle















1572년 11월 11일 덴마크의 귀족이자 천문학자였던 티코 브라헤(Tycho Brahe)는 카시오페이아 별자리에서 목성만큼 밝은 새 별이 나타난 것을 보았다. 이 발견은 여러 면에서 현대 천문학의 탄생이었다. 천체는 고정불변이라는 종래의 믿음이 깨진 것이다. 이런 ‘새로운 별들’은 인류에게 계속해서 놀라움을 안겨 주었다. 약 400년 후 천문학자들은 이들이 일시적으로 보통 별 수십 억 개보다 더 밝은 빛을 내는 엄청난 폭발 현상임을 깨달았다. 1934년 캘리포니아 공과대학의 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 이들에게 ‘초신성’이라는 명칭을 붙였다. 초신성은 과학자들에게 알려진 가장 극적인 사건일 뿐 아니라 우주와 천문학에서 특별한 역할을 한다. 초신성은 무거운 원소들을 만들어서 우주공간에 흩뿌리고, 은하의 형성과 진화를 조절하며 심지어 우주 팽창의 표지 역할도 한다.

츠비키와 그의 동료 발터 바데(Walter Baade)는 폭발 에너지가 중력에서 온다고 추정했다. 보통 별이 폭발하면 중심부의 밀도가 원자핵 정도에 도달하는데, 콘크리트 바닥에 꽃병이 떨어져 깨질 때처럼 별의 중심부를 향해 붕괴되는 물질이 방출하는 엄청난 중력위치에너지 때문에 별의 나머지 부분들이 산산조각으로 폭발한다는 것이다. 1960년 초신성 폭발을 설명하기 위해 또 다른 아이디어가 등장했다. 케임브리지 대학교의 프레드 호일(Fred Hoyle)과 캘리포니아 공과대학의 윌리 파울러(Willy Fowler)는 초신성 폭발이 거대한 핵폭탄이라고 주장했다. 태양과 같은 별은 가지고 있던 수소를 다 쓰고, 그 다음으로 헬륨을 다 써버리고 나면 탄소와 산소를 연료로 사용한다. 이런 원소들이 핵융합 반응을 일으키면 엄청난 에너지가 일시에 방출될 뿐 아니라 방사성 니켈 56이 생성된다. 이 방사성 원소는 서서히 붕괴하면서 에너지를 방출하기 때문에 초신성이 최초 폭발 후 여러 달 동안 빛나는 현상이 설명된다.

위에서 설명한 두 가지 아이디어가 모두 맞는 것으로 판명되었다. 스펙트럼에 수소가 나타나지 않는 초신성(I형) 중 대부분(Ia형)은 열핵반응에 의한 폭발이고, 나머지(Ib형과 Ic형)는 바깥쪽 수소층이 없어진 별이 붕괴하면서 일어나는 폭발로 보인다. .....