초신성이란?
신성보다 더 많은 에너지를 내뿜는 별의 폭발을 칭한다. 빛나는 현상이 마치 새로운 별이 태어나는 것처럼 보이기에 신성이라는 명칭이 붙었지만,[3] 실제로는 수명이 다한 별이 폭발하며 엄청난 에너지를 내뿜는 것이다.
폭발의 빛이 별 수천억 개의 빛 보다 강하다?
초신성의 발생이 초래하는 에너지의 양은 은하 내 존재하는 수십억 개의 별들의 총광량과 견주어도 손색이 없을 정도로 엄청난 밝기를 발산한다. 하지만 우리가 실제로 관측 가능한 이 밝기는 초신성이 방출하는 에너지의 단 1%에 불과하다는 사실이다. 나머지 99%는 중성미자라는, 대부분의 물질과 상호작용하지 않는 입자들로 방출된다.
만약 초신성이 지구로부터 태양과의 거리의 두 배인 2AU 범위 내에서 발생한다면, 중성미자 방출만으로도 인간에게 치명적일 수 있는 에너지 수준이 된다. 태양에서는 매초마다 1제곱센티미터 당 약 70억 개의 중성미자가 분출되며, 이 중 약 300만 개가 매초 우리 몸을 통과하지만, 우리는 이를 전혀 느끼지 못한다는 사실에서 중성미자의 낮은 반응성을 짐작할 수 있다. 그러나 2AU 거리가 아닌, 몇 광년 떨어진 거리에서도 감마선과 X선의 영향으로 지구는 심각한 피해를 입을 수 있다.
초신성 폭발에서 방출되는 에너지의 단위는 FOE라고 불린다. 이 용어는 스토니 브룩 대학의 제랄드 E. 브라운과 한스 베데가 공동 연구를 통해 만들어낸 것으로, 초신성 폭발 시 방출되는 에너지 10^44 줄 또는 10^51 에르그를 의미한다.
감마선으로 인한 영향
우주에서 발생하는 가장 강력한 에너지 방출 현상 중 하나로 감마선 폭파(Gamma ray burst)가 있으며, 이는 긴 지속 기간(100초 이상)과 짧은 기간(2초 이하)의 두 종류로 나뉩니다. 이 폭파의 원인에 대해서는 다양한 이론이 존재합니다
- 두 중성자별이 서로 충돌할 때.
- 중성자별이 블랙홀과 충돌할 때.
- 마그네타 형성 중 별의 폭발적 변화가 일어날 때. 마그네타에 대한 자세한 설명은 중성자별 섹션을 참고하세요.
- 붕괴성(collapsar)이 생성될 때. 태양 질량의 15배 이상을 가진 빠르게 회전하는 별이 생명을 다하고 중심부가 축소될 때, 충분한 에너지를 발생시키지 못해 초신성 폭발 대신 즉각적으로 블랙홀로 붕괴됩니다. 이 과정에서 생성된 블랙홀은 원래 별이 가지고 있던 빠른 회전 속도를 유지하면서 주변 물질을 흡수하는 강착원반을 형성하고, 상대론적 제트를 통해 X선 및 감마선 폭파를 일으키며 극초신성 현상을 발생시킵니다.
정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았지만, 엄청난 양의 감마선을 방출하는 이 현상은 대규모 멸종 사건의 주범으로 의심되고 있습니다. 특히 극초신성의 경우, 별의 자전축을 따라 강력한 감마선이 집중적으로 방출되어 이러한 멸종 사건을 초래했다는 가설이 제기되었습니다.
774년 또는 775년에 지구를 강타한 감마선 폭파 사건이 있었다는 주장도 제기되었습니다. 일본의 연구진이 고대의 백향목과 남극의 얼음을 분석한 결과, 탄소 14와 베릴륨 10의 농도가 평소보다 현저히 높았고, 이 현상의 원인으로 두 중성자별의 충돌에 의한 감마선 폭파를 독일의 과학자들이 지목했습니다.
초신성 폭발 이후에는 어떤 현상이 있는가
초신성이 폭발한 후 남겨진 잔해는 보통 방대한 가스 덩어리, 즉 성운으로 변환됩니다.
초신성 폭발 이후 남은 중심부는 그 크기에 따라 소형이라면 중성자별로, 대형이라면 블랙홀로 전환되는 경향이 있습니다. 그러나 중요한 것은 질량만이 아니라, 별이 형성될 때부터 포함하고 있던 중금속의 비율에 따라 달라집니다. 별이 처음 생성될 때부터 내재하고 있던 중금속의 양은, 초신성 폭발 시 그 결과에 큰 영향을 미칩니다.
초신성 폭발은 해당 지역을 완전히 파괴하는 결과를 초래합니다. 가장 큰 피해를 주는 요소는 고에너지의 감마선입니다. 초신성 폭발로 인한 피해 범위(생명체 소멸 포함)는 천문학자들 사이에서도 의견이 갈리지만, 일반적으로 II형 초신성은 약 7광년, I형 초신성은 20-300광년 범위에서 피해를 줄 수 있다고 합니다. 다행스럽게도 지구 인근에는 이러한 초신성 후보가 존재하지 않습니다.
초신성이 없었다면 생명도 없었다?
폭발하는 과정 중 발생하는 엄청난 고온은 평범한 별에서는 발생할 수 없는 다채로운 핵 반응을 촉발하며, 이 시기에 우리가 알고 있는 대다수의 원소가 생성됩니다. 철을 초과하는 무거운 원소들은 전부 초신성이 생성한 것으로, 이는 인류를 비롯한 모든 생명이 초신성의 존재 없이는 존재하기 어려웠을 것임을 의미합니다.
초신성 폭발은 우라늄과 같은 무거운 원소들은 물론 플루토늄이나 캘리포늄 같은 더 중량급 원소들을 신속하게 합성해냅니다. 그러나 우라늄보다 무거운 원소들은 반감기가 지구의 연령에 비하여 매우 짧아 대부분 남아 있지 않습니다. 초신성을 통해 이뤄지는 원소 합성의 한계는 원자번호 약 270 부근으로 추정되며, 연구 결과에 따르면 다름슈타튬(원소 번호 110) 이상의 무거운 원소들은 거의 형성되지 않을 것으로 보입니다. 이는 자발적 핵분열을 일으키는 동위원소가 빈번하게 발생하기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 안정된 원소의 섬에 도달할 가능성에 대한 예상도 존재합니다. 페르뮴 동위원소는 초신성에서의 원소 합성 과정에 영향을 주지 못하는데, 이는 급속한 중성자 포획을 통해 자발적 핵분열을 일으키는 페르뮴 동위원소를 우회할 수 있기 때문입니다.
초신성의 최대 절대 등급은 종류에 따라 일정하며, 이러한 놀라운 밝기는 외부 은하까지의 거리 측정에 활용될 수 있는 기회를 제공합니다.