한담객설 2015년 9월 28일
<목 차>
I. 청천낙성
– 1 부
우리
존재의 위치 찾기 (3)
(1)
나는 나룻배, 당신은 행인 (行人)
(2)
Type Ia 초신성 종류
(3)
Type Ia 단일축퇴 초신성 – 거성은 꺼져 모델
1. 폭발과정
2. 거리측정 방법
(4) Type
Ia 단일축퇴 초신성 – 거성을 내 품안에
모델
(5) Type
Ia 이중축퇴 초신성 – 동생동사 모델
(同生同死)
(6) M82 초신성 경우
1. 발견 직후 – Type Ia 단일축퇴 초신성으로 생각
2. 두 달 후 – Type Ia 이중축퇴 초신성으로 확인
3.
2014. 10월에 정체가 밝혀진 M82 중심의 천체
(7) Type
Ia 로 추정되는 역사적 초신성들
(8) IK
Pegasi 가 터지면 지구에선 얼마나 밝아 보일까 ?
(9) 2015년 1월 1일부터 9월 25일까지 발견된 초신성 –
2,299 개
II. 청천낙성
– 2 부
백색왜성의
정체
(1) 태양의 수명은 100 억년이 아니라 수조년이다
1. 사람과 별의 생사 (生死) 기준은 ?
2. 65.
2 억년 후에 백색왜성이 될 태양
3. 노성 (老星) 은 살아있다
(2) 축퇴운동과 축퇴압력
1. 만원 지하철의 사람과
백색왜성의 전자들
2. 우주만물의 운행원리, 세력균형
III. 월하산책
잃어버린
별자리를 찾아서 (20) – 작은게자리 Cancer Minor
(1) Minor
리그 별자리들
(2) 또다시 Plancius
(3) 작은게를 추모함
1. 내가하면 걸작, 남이하면 졸작
2. 명왕성과 작은게가 닮은 점
(4) 꽃보다
별자리, 달보다 소행성
<본 문>
I. 청천낙성
우리 존재의 위치 찾기 (3)
(1) 나는 나룻배, 당신은 행인 (行人)
지난호에선
인류최초로 등장한 Standard Candle 이며, 우주거리
사다리의 첫번째 발판이 된 Cepheid 변광성으로 별까지 거리를 재는 방법을 알아보았습니다. 이번에는 두번째 Standard Candle 인 특정 종류 초신성에
대해 살펴보겠습니다. 거리 계산식은
한담객설 8월 16일자 내용에 따르겠습니다.
아마추어천문가들
사이에서 가끔 들을 수 있는 농담으로, 세상사람들은 개기일식을 본 사람과 못 본 사람으로 나뉠 수 있다는
말이 있습니다. 개기일식은 매년
일어나긴 하지만, 볼 수 있는 지역은 매번 바뀌고 지구상에서 사람이 접근할 수 있는 지역은 한정되어 있기 때문에 관측하기 쉽지 않아 그럴 겁니다.
개기일식처럼
장관 (壯觀) 은 아닐 지라도, 볼
수 있는 확률이 적은 것으로 따진다면 초신성을 따라올 수는 없습니다. 사실 근래에는 관측기술 발전에 따라 2015
년 중에는 9월 25일까지 2,299 개가 발견되었고, 작년
2014 년엔 1,956 개나
발견되었습니다. 이렇게 밤하늘에
널린 것이 초신성이지만, 그것들 대부분 Light travel distance 로 수천만 또는 수억 광년 이상 떨어진 곳에 있습니다 (아래 단락 참조).
초신성이
아무리 밝더라도 이런 거리의 초신성은 장시간 노출사진, X 선, 자외선, 전파 망원경 등으로만 찾을 수 있습니다. 또한 최대 안시등급이 대부분 17~20
등급이므로 아마추어광학망원경의 안시관측으로 확인될 수 있는 것은 매우 드뭅니다. 따라서 초신성을 광학망원경을 통해 본 사람과 못 본 사람으로 나눌 수도
있을 겁니다.
그런데
작년 초, 비교적 가까운 곳인 1,200 만 광년 거리에서
최대 안시등급 10. 9 등급 초신성이 터져, 초신성을 직접
관측할 수 있는 절호의 찬스가 왔었습니다.
바로 UT 2014 년 1 월 21 발견되고 22 일에 보고된
M82 초신성입니다 (SN2014 J). 2011 년 에도 M101 에서
최대 안시등급이 9. 9 등급까지 올라가는 SN 2011 fe 라는
초신성이 있었습니다.
개기일식이야
볼 수 있는 미래의 시간과 장소가 정확히 알려져 있습니다. 그러나 초신성은 언제 어디서 터질지도 모르고, 터진 것이 발견되어야 알려집니다. 더욱이 M82 나 M101 초신성처럼 아마추어광학망원경 안시관측으로도 보이도록 비교적 가까운 곳에서 터질 확률은 극히 적습니다. 그러면 살면서 과연 M82 나 M101 같은 초신성을 다시 볼 날 있을까요 ? 아래 시가 대답이 될지도 모르겠습니다.
그러나 당신이 언제든지 오실 줄만은 알아요.
나는 당신을 기다리면서 날마다 날마다 새로워집니다.
나는 나룻배
당신은 행인 (行人)
<한용운 (韓龍雲 1879~1944). “나룻배와
행인” 마지막 구절. 일부 변형함.
“새로워집니다” 는 원문에서 “낡아갑니다” 로 되어있음>
(2) Type Ia 초신성 종류
아래 내용중에서
백색왜성과 축퇴에 대해선 청천낙성 2 부에서 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.
초신성을
구분할 떄 사용하는 Type Ia, Ib, Ic 또는 Type II-P,
II-L, IIn, IIb 등은 “폭발원인에 따른 분류가 아닙니다”. 이들은 단지 초신성 폭발시 발생하는
“빛의 스펙트럼” 에 따른 분광학적 분류에 지나지 않습니다. 다만 Type
Ia 초신성은 그 스펙트럼이 “어떤 특별한 폭발원인” 과도
관련됩니다. 따라서 Type Ia 초신성이라고 하면 그 초신성의 스펙트럼 형태를 말하기 보다는, 폭발원인을
뜻할 때가 더 많습니다 (Ia 는 One A 로 읽습니다).
여기서는
내용전개를 위해서 Type Ia 초신성 분류에 대해서만 요약 드립니다.
보통 Type Ia 단일축퇴
원형별 (Progenitor) 처럼 쓰지만, 여기서는 원형별 (Progenitor) 부분을 초신성 (Supernova) 으로 바꾸어
표현하겠습니다.
• Type Ia 초신성:
1) Type Ia 단일축퇴 초신성
• 고전적 Type Ia
초신성 또는 전형적 Type Ia 초신성이라고도 부름.
• 아래 단락에서 말씀 드리는 두 가지 모델이 있음.
2) Type Ia 이중축퇴 초신성
(영문표기 : Type
Ia Single Degenerate Supernova.
Classical Type Ia Supernova.
Typical Type Ia Supernova.
Type Ia
Double Degenerate Supernova)
위에서
축퇴 (Degenerate 또는 Degeneracy) 란
별 내부의 전자, 중성자, 양성자, 쿼크 등이 별도로 각각 서로 밀치는 상태를 말합니다. 백색왜성 (White Dwarf
Star) 의 축퇴압력은 “전자” 들이 서로
밀치는 압력이고, 중성자성 (Neutron Star) 의
축퇴압력은 “중성자” 들이 서로 밀치는 압력입니다.
축퇴압력은
별의 중심에서 바깥으로 팽창하는 힘이고, 이에 반대되는 힘이 중력입니다. 백색왜성이 내부로 붕괴되거나 또는 팽창해서
터지지 않는 이유는 중력과 전자 축퇴압력이 균형을 이루기 때문입니다. 일단 여기서는 단일축퇴를 “한
개의 백색왜성”, 이중축퇴를 “두 개의 백색왜성” 이라고 생각해주시면 될 듯합니다. .
Type Ia 초신성 중에서 “단일축퇴 초신성” 만이
초신성까지 거리를 재는 기준 (Standard Candle) 이 됩니다. 이 초신성은 고전적 (Classical) 또는 전형적 (Typical) Type Ia 초신성으로도 불리지만, 이 칼럼에선
혼동되지 않도록 Type Ia 단일축퇴 초신성이란 용어만 사용하겠습니다. Type Ia 단일축퇴 초신성까지의 거리측정
방법은 지난호의 Cepheid 변광성 경우와는 달리 비교적 간단합니다.
그렇더라도 이 초신성이 도대체 무엇인지부터 알아보는 것이 순서일
겁니다.
(3) Type Ia 단일축퇴 초신성 – 거성은 꺼져 모델
1. 폭발과정
태양이
늙어서 적색거성 (Red Giant) 단계에 들어서면 외피수소 핵융합이 시작되고 부피가 증가합니다. 외피수소까지 다 쓰고나면 중심부 헬륨으로 핵융합을 하면서 탄소가 만들어집니다. 이 때는 부피가 다시 감소합니다. 태양은 질량이 보통인 별이므로 탄소까지만 만들어지고 팽창과 수축을 반복하며
행성상 성운 (Planetary Nebula) 을 거쳐 백색왜성
(White Dwarf) 으로 변해갈 겁니다. 따라서 백색왜성의 구성원소는 대부분 탄소가 됩니다.
그런데
태양과 비슷한 질량의 별이 이중성을 이루고 있으며, 두 별의 진화속도
(늙어가는 속도) 가 다르다면, 한 쪽별이 먼저
적색거성 단계를 거쳐 백색왜성이 되었을 때, 다른 별은 아직 적색거성일 수도 있습니다. 이런 경우에 벌어질 수 있는 상황을 시간순서대로
정리하면 아래와 같습니다. 그림에서
처음 언급 드리는 용어들은 아래 단락에서 별도로 다시 정리 드립니다.
<그림 1/2/3/4 Type Ia
단일축퇴 초신성 – “거성은 꺼져” 모델 폭발과정.
디자인 출처 : 폭발 dreamstime.com. 백색왜성 sci-news.com. 거성 gettingimage.com>
이처럼 Type Ia 단일축퇴 초신성이 된 백색왜성은 완전히 파괴되며, 거성의
중심핵도 멀리 튕겨나가게 됩니다. 따라서
초신성 폭발 직후에는 가시광선 망원경으로 보이는 것은 아무 것도 없습니다. 다만 세월이 흐르면서 폭발당시 Gas 들이
초신성잔해를 만들기도 합니다. 이런
형태의 초신성은 백색왜성이 거성을 차버리는 모양이라 “거성은 꺼져” 모델이라고
이름 붙여 보았습니다.
백색왜성의
구성성분인 탄소에 최초로 불이 붙게 되는 원인은 질량증가로 인한 중심부 압력상승과 온도상승입니다. 탄소에 불이 붙는 시점은 백색왜성 질량이 찬드라세카르 한계 (Chandrasekhar Limit) 라 불리는 태양질량의 1. 44 배 (1. 44 Msun) 가 될 때입니다. 찬드라세카르 한계는 도출방법에 따라 1.
39 배 또는 1. 38 배라고도 합니다. 이 칼럼에서는 찬드라세카르 한계를 1.
44 배로 표기 하겠습니다.
초신성이
발견되면 우선 “자외선 및 X 선” 망원경으로 관측해 봅니다. 이들이 검출되면 거성이 존재했다는 사실을 알 수 있습니다. 위 그림처럼 거성표면이 충격을 받으면 자외선이 방출되고, 그 직후 외피가 벗겨지면서 X 선도 발생됩니다. 이런 관측기법 관련해선 아래의 M82 초신성 경우에서 다시 말씀 드리겠습니다.
2. 거리측정 방법
모든 Type Ia 단일축퇴 초신성의 경우, 백색왜성 질량이 “태양질량의 1. 44 배” 를
초과하는 순간에 폭발합니다. 그런데
폭발 전의 모든 백색왜성 구성성분은 거의 동일하므로 “초신성으로 폭발 할 때의 본래광도 (L. Luminosity) 가 모두 같게” 됩니다. 예를 들면, 같은 종류의 화약으로 만들어진 여러 개 폭탄의 무게가 모두 동일하다면, 그 폭발력과 폭발시의
광도가 같게 되는 것과 마찬가지 입니다.
태양질량의 1. 44 배인 백색왜성이 탄소 핵융합으로 폭발할 때의 본래광도는 컴퓨터 프로그렘으로 구할 수 있습니다. 따라서 안시밝기 (B. Brightness) 만 측정하면 그 초신성까지 거리를 쉽게 구할 수 있습니다. 아래에 폭발시의 본래광도 (L. Luminosity) 와 거리측정 방법을 정리 드립니다. 거리계산
과정은 아래단락 M82 초신성 경우를 보시기 바랍니다.
<그림 5/6 Type Ia 단일축퇴 초신성 폭발시의 본래광도
(L) 와 거리측정 방법>
(4) Type Ia 단일축퇴 초신성 – 거성을 내 품안에 모델
위에서
살펴본 Type Ia 단일축퇴 초신성 – “거성은 꺼져” 모델에선 백색왜성이 거성을 차버려 거성이 멀리 쫒겨납니다. 그런데 Type Ia 단일축퇴
초신성이 폭발분출물로 거성를 감싸는 형태가 최근에 새로 발견되어 소개 드립니다. “거성을 내 품안에” 라는 모델이름도 임의로 붙인 것입니다.
이 모델은
수 개월 전인 2015 년 5월 21일 Nature 에 논문이 소개되었습니다. 아래 내용은 Nature 의 초록과 미국 Carnegie Institution for
Science (카네기 과학연구소) 웹사이트,
Caltech News 내용을 보충해서 정리한 것입니다. 이들 웹사이트 주소를 아래 그림하단에 적어 드립니다.
미국시간
2014 년 5월 3일, iPTF 원격망원경에 강력한 자외선을 방출하는 천체가 포착되었습니다.
(iPTF : intermediate Paloma Transient Factory.
San Diego 소재. 미국). 위치는 머리털자리 (Coma
Verenices) 근처의 IC 831 이란 은하 부근이며, 자외선을 방츨하는 천체까지의 거리는 약 3 억 광년으로 추정되었습니다.
<그림 7/8 새로운 형태의
초신성이 발견된 IC 831 은하 부근의 위치.
오른쪽 사진은 IC
831 은하. 출처 : 왼쪽 : Stellarium 화면.
오른쪽 : Simbad
Astronomical Database. simbad.u-strasbg.fr>
연구원들은
그 전날의 자료를 확인했으나, 아무것도 없었습니다. 따라서 위에서 말씀 드린 것처럼, 그
자외선은 백색왜성이 초신성 폭발하면서 거성표면에 충격을 줄 때 방출된 것이라는 추정이 가능합니다. 이들은 즉시 Swift 위성
망원경과 Las Cumbres Observatory Global Telescope Network 에도 협조요청을 합니다. 이들 망원경에서 모두 자외선과 X 선이
탐지되어 그 천체는 확실한 초신성이었음이 입증되었습니다. iPTF 에선 이 초신성을 IAU 에
등록하지 않고, iPTF14atg 라는 자체 목록번호를 붙였습니다.
아래그림은
관측자료를 토대로 한 컴퓨터 시뮬레이션입니다.
놀랍게도 이 초신성은 기존의 Type Ia 단일축퇴 초신성과는 다르게, 백생왜성의 폭발분출물이 외피가 벗겨지고 중심핵만 남은 거성을 감싸는 것이 확인되었습니다. 이런 모습은 Type Ia 단일축퇴 초신성에서 처음 발견되는 것이라고
합니다.
이 모델의
초신성도 폭발시의 본래광도 (L) 는 Type Ia 단일축퇴
초신성 – “거성은 꺼져” 모델과 같으므로, Standard Candle 이 될 수 있습니다. 관측기술이 발전함에 따라 우주는 계속 새로운 모습을 보여주며, 그에 따라 초신성 분류도 복잡해지는 것 같습니다.
<그림 9 2014 년 5월 3일 발견된 iPTF14atg
초신성 폭발과정.
내용출처 : Nature 의 초록, Carnegie Institution for Science 웹사이트 및
Caltech News.
웹사이트 : Nature : nature.com/nature/journal/v521/n7552/full/nature14440.html. Carnegie :
carnegiescience.edu/news/strong-uv-pulse-reveals-supernova%E2%80%99s-origin-story
Caltech News : caltech.edu/news/caltech-astronomers-observe-supernova-colliding-its-
companion-star-46771>
(5) Type Ia 이중축퇴 초신성 – 동생동사 모델 (同生同死)
Type Ia 이중축퇴 초신성은 백색왜성 두 개가 합쳐지면서 폭발하는 경우입니다. 두 개 백색왜성이 서로 같은 질량중심을 돌면서 살아가다가, 같이 살고 같이 죽는다는 비장한 각오로 장렬히 산화 (散華) 하는 것 같아 보입니다.
<그림 10/11 Type Ia 이중축퇴 초신성 – 동생동사
모델 폭발과정.
그림출처 : Chandra X-Ray
Observatory. chandra.harvard.edu>
Type Ia 이중축퇴 초신성 폭발과정에서 중요한 점은, “합병된 백색왜성 질량이
무겁든 가볍든 상관없이 충돌과 합병이 일어나면 폭발” 한다는 것입니다. 이것은 질량이 찬드라세카르 한계인 1.
44 Msun 을 넘는 순간에 탄소가 발화되어 터지는 Type Ia 단일축퇴 초신성과는
다른 경우입니다. 따라서 합병된
백색왜성 질량이 1. 44 Msun 에 미치지 못하는 경우에는, 본래광도 (L) 가 Type Ia 단일축퇴 초신성의 본래광도 보다 낮을 수
밖에 없습니다.
백색왜성
질량은 약 0. 06 Msun 부터 1. 44 Msun 까지
다양합니다. 반면에 그 지름은 11,000~28,000 km 밖에 되지 않습니다. 태양지름은 약 140 만 km 이고 지구지름은 약 1. 3 만 km (12,756 km) 입니다. 하여간 0. 5 Msun 인
두 개의 백색왜성이 충돌 및 합병 되었다면 총 질량은 1. 0 Msun 이 됩니다. 이 때는 찬드라세카르 질량인 1. 44 Msun 에서 폭발하는 Type Ia 단일축퇴 초신성 보다
어두울 것입니다. 물론 합병된
질량이 1. 44 Msun 보다 크면, Type Ia 단일축퇴
초신성 보다 밝게 됩니다. 이렇게
Type Ia 이중축퇴 초신성은 본래광도 (L) 가 일정하지
않으므로 Standard Candle 은 될 수 없습니다.
(6) M82 초신성 경우
1. 발견 직후 – Type Ia 단일축퇴 초신성으로 생각
첫번째
단락에서 말씀드린 M82 초신성 (SN 2014 J) 이
발견된 직후에는 대부분 학자들이 Type Ia 단일축퇴 초신성으로 생각했던 것 같습니다. 그 이유는 초신성이 터지기 전의 사진을
보면, 초신성 지역에는 초거성 흔적이 보이지 않았기 때문입니다. 따라서 망원경으로도 잡히지 않는 백색왜성과 거성 (Type Ia 단일축퇴 초신성) 또는 두 개의 백색왜성 (Type Ia 이중축퇴 초신성) 일 것입니다. 이 두가지 가능성 중에서 그래도 지금까지
상대적으로 많이 발견된 Type Ia 단일축퇴 초신성으로 생각되었습니다.
<그림 12 M82 초신성 (SN2014 J). UT 2013 년 12월 10일. 오른쪽 : 2014 년 1월 21 일.
이런 이유로
“실제로 관측된 안시등급은 10. 9 등급” 이 최고였는데, M82 까지의 알려진 거리 1,200 만 광년을 감안해서 “관측기록은 없지만 아마 8. 5 등급까진 올라갔을 것” 이라고 추정되었습니다. M82 초신성 발견직후에 일어난 이런
오류를 아래에 정리 드립니다.
<그림 13/14/15 M82 초신성 발견 직후의 추정오류>
2. 두 달 후 – Type Ia 이중축퇴 초신성으로 확인
그러나
폭발후 두 달동안 관측한 결과, 탄소와 산소는 측정되었는데, “자외선과 X 선” 이 전혀 검출되지 않았습니다. 이들이 없다는 것은 애당초 거성이 존재하지
않았음을 뜻합니다. 거성도 없었고, 초거성이 단독으로 터진 것도 아니라면, 백색왜성 두 개가 초신성이
된 “Type Ia 이중축퇴 초신성” 이 됩니다.
그러면
실제로 관측된 안시등급인 10. 9 등급을 기준으로, M82 초신성이
폭발할 때의 절대등급은 과연 얼마나 되었는지 계산해 보겠습니다.
<그림 16/17 M82 초신성의 실제 본래광도 계산>
이처럼 M82 초신성은 Type Ia 이중축퇴 초신성이었으며 폭발시의 본래광도가
단일축퇴형 보다 낮았음을 뜻합니다. 위
단락에서 말씀 드린대로, Type Ia 이중축퇴 초신성의 본래광도는 단일축퇴형 보다 낮을 수도 있고
높을 수도 있습니다.
3. 2014. 10월에 정체가 밝혀진 M82 중심의 천체
M82 초신성은 작년 1월 21일 (UT) 에 발견되었는데, 10월에 발표된 또다른 중요한 발견을 소개
드리려 합니다. 거리와는 관련
없으나 간단히 알아보고 지나가겠습니다. 아래내용은 Caltech 의 The Nuclear Spectroscopic
Telescope Array (약자 : NuStar) Operation Center 웹사이트
기사를 정리 및 추가한 것입니다 (사진아래 링크 참조). NuStar 는 NASA 가
발사한 위성 망원경입니다. 이
망원경은 비행기에 실린 로켓에서 발사되었습니다.
<그림 18 NuStar 발사과정 및 모사도. 활동기간 : 2012~현재. 길이
: 10 m.
태양전지 달린 부분 : 검출기. 오른쪽 부분 : Optics module. 출처 : americascope.com>
1970 년대 이후로 작년까지 M82 중심에는 거대 블랙홀이 있다고 생각되었습니다. 그 이유는 우리은하 중심의 블랙홀과 마찬가지로, M82 중심에서도 강력한 X 선이 방출되기 때문입니다. 이렇게 강력한 X 선 나오는 천체들을 한데 묶어서 ULXs 라고 부릅니다 (Ultraluminous X-Ray Source).
불랙홀로 추정되던 M82 중심부 천체는
ULX M82 X-2 로 불립니다.
그런데 NuStar 웹사이트에 작년 10월
8일자로 (미국시간) M82 중심부 천체에서 X 선의 Pulse 현상이 발견되었다는 보고가 실렸습니다. Nature 에는 그 다음날인 10월 9일자에 논문이 실립니다. 자체 웹사이트에 하루 먼저 발표하는 자존심이 엿보입니다.
블랙홀이라면
주변물질을 빨아들여도 Pulse 현상은 없다고 합니다. 강력한 X 선이 나오면서 Pulse 현상을 보이는 것은 Pulsar (펄사) 입니다.
Pulsar 는 고속회전하는 중성자성 (Neutron Star) 입니다. M82 중심의 Pulsar 에너지는 현재의 태양 에너지의 1,000 만배라고 합니다. 에너지로만 본다면, 발표당시까지 알려진 Pulsar 중에선 가장 강력한 에너지를 가진
것입니다. 회전주기는 1. 37 초입니다.
M82 중심에 있는 Pulsar 는 중성자성이며 이것도 초신성 폭발로 만들어지므로, M82 초신성과 같이 알아보았습니다.
<그림 19 M82 중심에 있는 Pulsar (핑크색). 내용 및 사진 출처 :
nustar.caltech.edu/image/nustar141008a
(2014. 10. 8). Astronomy (Feb. 2015)>
(7) Type Ia 로 추정되는 역사적 초신성들
Type Ia 로 추정되는 초신성들 중에서 역사적으로 유명한 세 개 초신성 잔해모습을 찾아보았습니다. 아래 사진들은 자외선, X 선, 가시광선 등 여러 망원경 사진을 합성한 것입니다. 잔해의 색깔은 False color 입니다.
이들이 Type Ia 로 추정되는 이유는 잔해에서 중심성이 확인되지 않았기 때문입니다. 그러나 단일축퇴인지 이중축퇴인지는 구분하기 어렵습니다..
<그림 20 역사에 기록된 대표적 Type Ia 추정
초신성 잔해.
그림 출처 : commons.wikimedia.org>
Type Ia 인 경우, 백색왜성 폭발충격이 거성이 도달할 때 방출되는 자외선은 폭발
며칠만에 사라집니다. 따라서 지구에서
폭발이 보인 후 400 년이 지난 요즘에는 검출할 수 없습니다. 거성의 외피가 벗겨지면서 방출되는 X 선은
자외선 보다는 오래 지속됩니다. 하지만
요즘에 잔해에서 X 선이 검출되더라도 그것이 거성에서 나온 것이라고 단정할 수는 없습니다
비록 False color 이지만 모습은 아름답습니다. 지구 보다 조금 작거나 커봐야 조금 더 큰 백색왜성이 저 정도의 잔해를
남겼으니, 그 파워를 상상하기 어렵습니다. 위 단락에서 말씀 드린 M82 초신성은
과연 어떤 잔해를 만들어갈지 궁금합니다.
(8) IK Pegasi 가 터지면, 지구에선 얼마나 밝아 보일까 ?
위의 세
가지 초신성은 우리은하 내부의 별들이 터진 것이지만, 그나마 지구에서 제일 가까웠던 SN 1006 이 7,200 광년 거리였습니다. 그런데 미래에 폭발이 예상되는 Type Ia 단일축퇴 초신성 중에서 지구에서 무척 가까운 별이 있어 소개드립니다.
이 별은 Pegasus 자리에 있는 IK Pegasi 라는 별입니다. 지구로부터 거리는 현재 150 광년 밖에 되지 않습니다. 하지만 메일 조금씩 태양에서 멀어지는
고유윤동을 하므로 많은 세월이 지나면 거리가 훨씬 더 멀어질 겁니다. IK Pegasi 는 Type Ia 초신성
중에서도 특히 “단일축퇴 초신성” 이 될 것이 확실하므로
지구에서 보일 안시등급을 계산할 수 있습니다.
아래에 이 별의 내역과 안시등급 계산과정을 정리 드립니다.
<그림 21/22 IK Pegasi
내역과 반성 B (백색왜성) 폭발 시 안시등급
계산과정.
출처 : 성도 :
Stellarium 화면. 2015.
10. 1 밤 10 시 서울지역.
500 만년 후 폭발추정 출처 : spaceanswers.com. IK
Pegasi 그림 : commons.wikimedia.org.
보름달 그림 : echoesfromemptiness.com>
IK Pegasi 의 주성 A 는 아직 태양보다 온도가 더 높은 주계열성인 동시에 맥동
변광성입니다. 그러나 500 만년이 지나면 적색거성으로 진화한다고 합니다. 그런데 이 별은 지금도 태양으로부터 초속 20. 4 km 씩 멀어지는 고유운동을 합니다. 500 만년 후 지구로부터 거리는 대략
500 광년이 됩니다. 이
별은 500 만년 후에 적색거성이 되고, 이후 적색거성이
너무 커져 중력이 외피의 Gas 를 잡아둘 힘을 잃게되면 반성 B 인
백색왜성이 거성의 외피를 빨아들이기 시작하고 초신성으로 폭발하게 됩니다 (500 만년 후 폭발추정 출처 : spaceanswers.com).
IK Pegasi 가 폭발하면 위 그림처럼 하늘에 보름달 2 개 (1.8 개) 개를 모아놓은 것 같은 장관일 겁니다. 하지만 지구에 초신성 빛이 보임과 동시에, 충격을 받은 거성표면에서 나오는 초강력 자외선과 거성외피가 벗겨지면서 방출되는 X 선도 지구를 덮치게 됩니다. 초신성이 대략 3,200 광년
이내에서 폭발하면 지구에 영향을 준다고 합니다.
이 별이 폭발할 때 거리는 500 광년 밖에 되지 않으므로 피해는 심각할 겁니다. 당분간 지하대피소에서 생활해야 할지도
모릅니다. 그래도 이런 초신성
모습을 직접 볼 수 있다면, 500 만년 동안 “날마다 새로워질” 각오는 되어있습니다.
(9) 2015년 1월 1일부터 9월 25일까지 발견된 초신성 – 2,299
개
그러면
요즘에는 일년에 초신성이 몇 개나 발견되는지 알아 보겠습니다. 위 소제목의 숫자 2,299 개는
오타가 아니며, 금년 1월
1일부터 며칠 전인 9월 25일까지 발견된 초신성
갯수입니다.
아래 인용문은
한국시간 2015년 9월
28일 오전의 미국 Rochster (로체스터) 연구소
웹사이트 내용입니다. 작년 2014 년에는 1,956 개가 발견되었습니다. 이 숫자에는 IAU 에 보고된 것들이 포함되어 있습니다. 첫번째 인용문에 보이는 CBAT 가
바로 IAU 를 나타내며 20 개로 되어 있습니다. 2015 년의 전체 초신성 2,299 개 중에서 20 개만
IAU 에 보고된 것을 알 수 있습니다.
이것은 전체의 1 % 도 안되므로 빙산의 일각이라고도 할 수 없습니다. CBAT 는 IAU 가 관리하는 “천문전문 (電文) 중앙사무국” 의 약자 입니다 (Central Bureau
for Astronomical Telegrams).
<그림 23 2015. 9월 28일 오전 (한국시간) 현재 Rochster
Academy of Science (미국) 웹사이트에
게재된 최근발견 초신성목록 일부. 사이트 주소 : rochesterastronomy.org/supernova.html>
인용문의
초신성 최대안시등급은 18~20 등급 사이입니다. 2015 년 초신성을 전부 찾아보아도 대부분 17~20 등급이었습니다. 첫번째 인용문에 보이는 금년에 가장 밝았던 초신성 2015 F 는 남반구 별자리인 날치자리 (Volans) 에 있는 NGC 2442 에서 폭발했습니다. 3월 9일 발견당시는 16. 8 등급이었으나, 3월 22일 12. 9 등급 및 3월 29일 12. 8 등급까지 올라갔습니다. 아래 <그림 24> 의 CBAT 웹사이트에는 발견당시 등급인 16. 8 등급으로 되어 있었습니다.
하여간
2015 년 9월말 현재
20 개만 IAU 에 보고된 것은 예년에 비해 현저히 적은 숫자입니다. 작년 2014 년에 IAU 에
보고된 것은 137 개였습니다. IAU 가 초신성 목록번호를 명명하는 방법과 최근 10 년간 IAU 에 등록된 초신성 갯수를 보여 드립니다. 작년까진 10 년 동안 IAU 에 매년 평균
340 개가 등록되었습니다.
<그림 24 IAU 의 초신성 목록번호 명명방법 및 최근 10
년간 등록된 초신성 갯수.
출처 : IAU 천문전문 (電文) 중앙사무국. IAU Central Bureau for Astronomical
Telegrams.
링크 : cbat.eps.harvard.edu/lists/RecentSupernovae.html>
Type Ia 단일축퇴 초신성은 Cepheid 변광성 다음으로 어두운 우주를 밝혀준
두번째 Standard Candle 입니다. 우주가
가속팽창 되고 있다는 사실도 1998 년에 Type Ia 단일축퇴 초신성으로
먼 은하들까지 거리를 측정하다가 우연히 알게 된 것입니다. 그 때까지만 해도 우주는 중력 때문에 팽창속도가 점차 감소해서 종국엔 Big Crunch (대함몰) 로 끝날 것이라는 가설이 지배적이었습니다.
그러나 가속팽창이 밝혀지면서 그 원인으로 암흑에너지 가설을 만들게 되었고, 암흑에너지 증거가 하나 둘씩 나타나면서 연구자 세 분이 2011 년에
노벨상을 받게 됩니다. 이런 사실로
본다면 Type Ia 단일축퇴
초신성은 인류가 우주의 모습을 이해하는 데 결정적 도움을 준 셈입니다 (한담객설 2015. 6월 30일자 참조).
다음호에서도
계속 우주거리를 측정하는 방법들을 찾아보겠습니다.
<그림 25 배경그림출처 :
한담객설 2015. 8.16일자 그림 26 과
동일. 편집. 추가>
II. 청천낙성 – 2 부
백색왜성의 정체 – 예측불허 우주별종
(1) 태양의 수명은 100 억년이 아니라 수조년이다
1. 사람과 별의 생사 (生死) 기준은
?
• 표면은 현재 태양보다 뜨겁지만 빛은 내지 않고,
죽은듯 조용히 살지만 여건만 되면 폭발할 수 있는
우주의 불가측 (不可測) 존재.
위 문구는
제목에서 말씀드린 예측불허 우주별종 의미를 풀어 쓴 것입니다. 백색왜성에 대해 이런 표현을 한 이유를 우리별 태양을 예로들어 말씀 드리겠습니다. 태양의 수명은 대략 100 억년이라고 합니다. 지금은 태양이 태어나서 약 50 억년이
지났다고 하므로, 남은 수명은 50 억년이 됩니다. 그런데,
“그 남은 수명의 끝” 을 따지는 기준이 바로 “백색왜성이
시작” 되는 시점입니다. 이런 계산법의 이면에는 백색왜성을 “죽은
별” 로 간주하는 시각이 깔려 있습니다.
그러면
백색왜성으로 변한 태양은 정말로 죽은 존재일까요 ?
만일 백색왜성이 죽었다면 사람에 비유할 경우, 시체가 될 겁니다. 그런데 1 부에선 동반성을 가진 백색왜성의 폭발을 말씀 드렸습니다. 백색왜성이 정말 죽은 존재라면, 어떻게
갑자기 탄소핵융합을 하고 폭발할 수 있을까요 ? 사람으로 따진다면 이미 사망한 사람이 갑자기 일어나 포효하는 경우가 될
겁니다.
사실 살아있다
또는 죽었다라는 말은 생물에게만 가능한 표현입니다.
그런데 생믈이 살아있다 또는 죽었다를 정의하는 기준이 간단치는 않습니다. 사람의 예를 들어보면, 사람은
어느 시점부터 생명이 있다고 인정되어야 할까요 ? 수태직후, 임신 3개월 또는 출생직후 등 학자마다 의견이 다를 겁니다. 또한 뇌사상태로 인한 안락사 경우처럼,
사망시점도 논란이 있습니다.
천문학에선
별의 출생이 핵융합을 시작하는 시점으로 결정됩니다.
별이 형성되어 일정시간이 흐른 뒤에 “처음 핵융합을 시작” 한 시점이 별의 나이가 시작되는 시점이며, 이 때가 별 나이로 0 세 (0 년. 영년) 입니다. 핵융합이란 “스스로 에너지를
생산” 하는 상태를 뜻합니다. 사람으로 말하면 출생시점을 수태된 때로 보는 것이 아니라, 어머니 몸 밖으로 나와 공기호흡을 시작하고 어머니 젖을 먹고 스스로 에너지를 창출하는 시점으로 보는 것입니다.
2. 65.
2 억년 후에 백색왜성이 될 태양
그런데
모든 별은 태어나서 가장 처음 핵융합을 중심부에 있는 수소로 시작하며, 중심부 수소가 소진되면, 외피의 수소를 사용합니다. 외피수소마저 소진되면, 중심부
헬륨 및 외피의 헬륨 소진 단계를 밟아갑니다.
여기서 “중심부에 있는 수소를 소진” 하는
단계를 “주계열 (主系列. Main Sequence)” 단계라고 부릅니다. 외피의 수소를 사용하기 시작하면 별은 부풀어 오르며 거성 (Giant Star) 단계가 됩니다.
이처럼
별이 처음으로 주계열에 진입한 시기가 바로 별의 나이로 0 세 (0 년. 영년) 이 되며, 이
때를 “영년 주계열 (零年 主系列. Zero Age Main Sequence) 에 진입했다” 라고
표현합니다. 그런데 별이 처음에
만들어질때는 크기와 질량이 제각각일 것이므로, 처음 핵융합이 시작되는 (영년 주계열에 진입하는) 표면온도와 그 때의 본래광도도 모두 다를
것입니다.
H-R 도표에서 여러가지 별들의 영년 주계열 시점에서의 표면온도와 본래광도 좌표를 연결한 선이 영년주계열선이 됩니다. 태양과 비슷한 질량의 별들은 수십억년을
영년주계열선에 머물다가, 외피수소 핵융합이 시작되면서 거성으로 진화합니다.
태양의
진화과정을 H-R 도표로 정리해 보았습니다.
<그림 26 H-R 도표 위에 표시한 태양 진화과정>
H-R 도표의 x 축은 표면온도를 나타냅니다. 왼쪽으로 갈수록 높은 온도임에 유의하시면 됩니다. y 축은 현재 태양 본래광도의 배수 입니다.
태양은
45. 7 억년전, 지금의 태양계 위치에 있던 분자구름이
중력붕괴되어 만들어졌다는 이론이 지배적입니다.
그 후 태양을 중심으로 나머지 물질들은 응축원반 (Accretion Disk) 을
만들고, 이 원반에서 여러 행성들이 태어났습니다.
태양이
형성된 후 4 천만년이 지나자, 중심부에서 최초의 수소핵융합이
일어나 영년 주계열에 진입합니다. 천문학에선
바로 이 떄를 “태양의 출생” 으로 봅니다. 청색 가는선은 질량이 다른 여러가지 별이
영년 주계열에 진입하는 좌표를 표시한 것입니다.
도표에서 태양의 영년 주계열 및 현재의 표면온도는 6,000 Kelvin 이고, 본래광도는 현재 본래광도인 1 Lsun 입니다.
점근거성 용어에서 “점근 (漸近. Asymptotic)” 은 한자 뜻 그대로 “점점 접근한다” 는 수학용어
입니다. 여기서 접근하는 주체는
거성이고, 접근하는 대상은 x 축 입니다. 위 도표에서 위쪽 x 축의 왼쪽부터 오른쪽 방향으로 진행하면, 점근거성 단계의 실선이
점점 x 축에 접근하고 있습니다. 점근이란 단어에 천문학적으로
특별한 뜻이 있는 것은 아니므로 신경쓰실 필요는 없을 듯 합니다.
적색거성 또는 점근거성이 팽창과 수축을 반복하면서
외피의 물질을 자체 중력으로 유지하지 못하고 우주로 날려 보낸 것이 행성상 성운입니다. 이 때 별 중심부는 안쪽으로 붕괴해서 백색왜성을 형성하게 됩니다. 따라서 백색왜성은 적색거성 또는 점근거성이
헬륨 핵융합으로 만들어낸 탄소 대부분과 일부 산소로 구성됩니다. 아래 그림은 위 H-R 도표의
진화단계별 내역을 정리한 것입니다.
그림에서
각 단계 영어약자의 끝 철자 B 는 나뭇가지란 뜻의 Branch 입니다. 예를 들면, 점근거성 단계의 AGB 는 Asymptotic Giant Branch 가 됩니다.
여러가지 별을 각각의 진화단계별로 좌표를 연결하면 영년 주계열선에서 뻗어나온 나뭇가지 모양이 되므로 Branch 로 부릅니다.
<그림 27/28 태양의 진화단계별 내역. 진화시점과 기간은 자료에 따라 조금씩 다름.
약자 : ZMS (Zero Age Main Sequence). MSB (Main Sequence Branch).
RGB (Red Giant Branch). AGB (Asymptotic Giant Branch).
PN (Planetary Nebula).
WD (White Dwarf). BD
(Black Dwarf)>
3. 노성 (老星) 은 살아있다
그러면 태양은 어느 시점에서 “죽었다” 라고 보아야 할까요 ? 사람인
경우는 호흡과 심장이 정지한 때를 말합니다. 이 때는 스스로 에너지를 생산하지 못해 몸의 온도가 유지되지 않아 체온이
떨어져 주변환경 온도와 같게 됩니다. 만일
사람의 호흡과 심장이 정지했다고 하더라도, 어떤 이유로 계속 따뜻한 체온이 유지된다면 사망했다고 말하기
어려울 겁니다.
태양은 행성상 성운 + 백색왜성 단계뿐만 아니라, 단독 백색왜성이 되어서도 표면온도가
주계열 단계의 표면온도 보다 훨씬 높습니다.
H-R 도표를 다시 보시면, 이들 단계의 위치가 현재 태양의 왼쪽에 있음이
보입니다. 세월이 지나 백색왜성이
현재의 우주공간 온도인 2. 725 K 에 도달하거나 또는 먼 미래에 완전히 식어버린 우주온도 0 K 에 도달하기까지는 수조년이 걸립니다. 만일 동반성인 거성이 있다면, 백색왜성은
이 기간동안에 Type Ia 초신성 경우처럼 폭발할 수도 있습니다. 한마디로 노성 (老星) 은 살아있다라고 할 수 있습니다.
이런 상황을 보면 백색왜성이 정말로 죽은 별인지
의심스럽습니다. 사람에 비유하면, 호흡과 심장이 정지했는데도 체온은 40 °C 이상 올라갔다가, 주변온도인
18~20° C 까지 떨어지는데 수천년이 걸리는 것과 마찬가지 입니다. 초신성 폭발은 호흡이 정지된 분이 링거
몇 병을 맞고 체중이 어느정도 올라가자, 갑자기 벌떡 일어나 환호성을 지르는 것에 비유할 수 있습니다.
태양처럼 동반성이 없는 단독 백색왜성은 수조년이
흐르는 동안 천천히 식으면서 온도가 내려가게 됩니다.
종국에는 중심부까지 완전히 식어서 불 꺼진 탄소 덩어리가 되며, 주변 우주공간
온도인 2. 725~0 K 에 도달하게 됩니다. 이 시점의 백색왜성을 별도로 흑색왜성
(Black Dwarf) 이라 부릅니다. 흑색왜성은 더 이상 열을 발산하지 못하고 그 상태대로 우주종말까지 존재할 겁니다.
따라서
흑색왜성 시점이 되어야 비로소 “태양의 사망신고” 를 할
수 있다고 봅니다.
사실 흑색왜성은 단지 이론상의 천체이며, 아직 발견된 적도 없고 현재의 우주에 존재한다고 믿어지지도 않습니다. 이유는 어떤 별이 흑색왜성이 되려면 수조년은 지나야 되지만, 현재의 우주나이는 138 억년 밖에 되지 않았기 때문입니다.
참고로 탄소성
(Carbon Star) 은 적색거성 또는 적색왜성인 별의 바깥쪽 대기가 탄소로 뒤덮여 있는 별입니다. 이 별은 별 바깥에서 보면 검게 보이므로, 주변에 밝은 천체가 없으면 광학망원경으로는 관측되지 않습니다.
(2) 축퇴운동과 축퇴압력
1. 만원 지하철의 사람과
백색왜성의 전자들
칼럼 시작부분에서
축퇴 (縮退. Degeneracy.
Degenerate) 란 단어
뜻을 간단히만 말씀드리고, 수도 없이 많이 사용했습니다. 여기선 그 의미를 좀 더 자세히 알아보겠습니다.
지하철이나
버스에 서 있을 때, 다른사람에게 경계심을 느끼지 않는 거리는 30
cm 정도라는 신문기사를 읽은 기억이 납니다. 만일 모르는 사람이 30 cm 이내로
접근하면, 경계심과 불쾌감을 느끼면서 이 거리를 유지하려고 자기 스스로 옆으로 이동합니다. 물론 상대방이 맘에 드는 이성 (異性) 이면 상황은 다를 겁니다. 한자 뜻으로도 이해하기 어려운 축퇴 뜻을
말씀드리기 전에 만원 지하철을 예로 들어 보겠습니다.
여기선 승객들 모두 제각각 서로 맘에 들지 않는 사람들만 타고 있다고 가정합니다.
승객들로
발 디딜 틈도 없는 지하철을 타고갈 떄, 사람들은 조금이라도 편한 공간에 머무르려고 몸을 조금씩 움직이며
자기 에너지를 소비합니다. 이곳에선
앉을 수 있는 좌석이 그나마 에너지를 가장 적게 쓰는 공간이 됩니다. 하여간 자기가 서 있는 공간은 너무 좁아서 “그 공간에 두 명은 서 있을 수 없습니다”. 그러다가 어떤 정거장을 지날 때 뒷부분 차량 몇 개가 고장나서 그쪽 승객들
모두 앞쪽차량으로 이동하고 운행하게 되었다면, 서있는 승객들은 더욱 고통스럽게 됩니다.
서있는
승객들은 조금이라도 자기 공간을 확보하려고 서로 밀치게 될 겁니다. 이에 따라 각자가 사용하는 에너지도 높아질 수 밖에 없습니다. 또한 서로 미는 힘 때문에 밀려서 차창이나
차량 외벽에 손을 짚기도하고, 몸을 차량 벽에 기댄 상태로 떠밀리기도 할 겁니다. 이에 따라 당연히 차량 외벽은 압력을
받게 됩니다. 따라서 차량이 승객들로
빽빽할수록 승객들이 소비하는 에너지는 높아지고, 더불어 차량 외벽에 가해지는 압력도 높아집니다.
이런 경우, 차량 외벽에 가해지는 압력은 차량 내부에서 바깥쪽으로 미치는 힘입니다. 차량 외벽이 부서지지 않고 버틸 수 있는 힘은 차량 자체 강도가 될 겁니다. 만일 차량이 얇은 철판으로 만들어져 승객들의
압력을 견디지 못하면, 차량 외벽은 부서지고 승객들은 차량 밖으로 튕겨나갈 수 밖에 없습니다. 아래 그림은 이런 상황을 백색왜성 내부와
비교한 것입니다.
<그림 29 지하철 차량내부 사람과 백색왜성 내부 전자 비교.
사람 디자인 출처 : deutsch.istockphoto.com>
2. 우주만물의 운행원리, 세력균형
글자 뜻으로만
본다면, 한자어 축퇴 (縮退) 는 어떤 “주체” 가 축소 (縮小) 되고 후퇴 (後退) 한다라는 뜻입니다. 그러나
물리학 천문학에서의 뜻은 한자 뜻과는 반대로, 축소되고 후퇴하는 것은 “객체” 인 별이란 공간이며, 주체인 전자는 팽창하고, 앞으로 전진하는 상태를 말합니다. 이런 의미를 굳이 풀어쓰면, 전자 같은 미립자들이 “공간의 축소와 후퇴” 때문에 에너지가 높아져 “별 바깥쪽으로 팽창하려는 상태” 가 됩니다.
백색왜성은
점근거성 단계에서 자기가 가진 질량의 일부분인 외피를 우주로 날려보내고, 나머지 대부분의 질량이 중심핵
쪽으로 압축된 별입니다. 보통
태양 크기와 비슷한 별의 질량이 지구 크기로 압축되었으므로, 그 밀도는 상상하기 어렵습니다. 일반적인 백색왜성 밀도는 아래와 같습니다. 각설탕 한 개 질량이 1 톤이 되는 셈입니다. 현재 알려진 우주에서 백색왜성 보다 밀도가 높은 것은 중성자성과 블랙홀
뿐입니다. 이론적으로 존재한다고
추정되는 쿼크성 (Quark Star) 도 백색왜성 보다 밀도가 높다고 합니다.
• 밀도 : 약 1,000 kg / 입방 cm. 태양밀도의 약 100 만배
• 크기 : 지구와
비슷
• 표면온도 : 위
단락의 H-R 도표 참조
위에서
말씀 드렸듯이 백색왜성은 대부분 탄소원자 및 일부 산소원자로 이루어져 있습니다. 그런데 양자역학에 따르면, 전자를
비롯한 모든 미립자는 입자의 성질을 같는 동시에 파동의 성질도 같이 갖고 있습니다. 빛의 입자인 광자 (Photon) 도
마찬가지 입니다. 백색왜성 내부의
전자는 탄소원자를 구성하는 전자들도 있고, 자유롭게 떠돌아 다니는 자유전자 (Free Electron) 도 있습니다. 자유전자는 어떤 물질에서 원자를 구성하지 않고 원자 바깥에서 떠도는 전자를
말합니다.
백색왜성이
압축되면서 밀도가 높아짐에 따라 전자들은 점점 더 좁은 공간에 갇힌다고 볼 수 있습니다. 그런데 지하철 차량 안의 사람처럼, 백색왜성
내부의 전자도 “어떤 한 개의 전자가 자리잡은 위치에 두 개의 전자가 같이 있을 순 없습니다”. 이런 원리를 파울리의 배타원리 (Pauli Exclusion Principle) 라고 부릅니다. 움직일 수 있는 공간이 작아진 전자는 파장이 짧아지게 되며, 파장이 짧아진다는 것은 전자가 보유한
에너지가 높아짐을 뜻합니다. 또한
좁은 공간에서 자리 잡을 곳이 없어 이리 튀고 저리 튀게 됩니다. (Wolfgang Ernst Pauli. 볼프강
에른스트 파울리. Austria. 1900~1958).
참고로, 파장별로 에너지가 높은 것에서 낮은 것 순서로 열거하면 감마선 X 선
자외선 가시광선 적외선 전파가 됩니다. 여기서
에너지가 가장 높은 감마선 파장이 가장 짧고, 에너지가 가장 낮은 전파 파장이 가장 긴 것을 생각하시면
됩니다. X 선은 에너지가 높기
때문에 우리 몸을 관통하므로 X 선 사진을 찍을 수 있습니다. 감마선은 영화 Hulk (헐크) 에서 나오듯이, 인체에 극히 해로우므로 의학용으론 사용되지 않습니다.
이처럼
백색왜성의 밀도가 높아질수록 전자들의 에너지가 증가하고, 짧은 파장에 빠른 속도로 백색왜성 내부를 튀어
다니게 되는데, 이런 운동을 “전자 축퇴운동” 이라고 부릅니다.
또한 전자가 백색왜성 내부를 튀어 다니면 백색왜성을 팽창시키는 압력으로 작용하며, 이를
”전자 축퇴압력” 이라고 합니다. 사실 일정한 밀도를 갖는 모든 물질에는
이런 전자 축퇴압력이 존재합니다. 그러나
지구상의 물질처럼 보통의 밀도를 갖는 물질에선 축퇴압력이 너무 작아서 별다른 영향을 주지 못할 뿐입니다. 전자 뿐만 아니라 양성자 (Proton)
중성자 (Neutron) 쿼크 (Quark) 등
미립자에도 축퇴압력이 존재합니다.
만원 지하철
경우에서, 승객들의 밀치는 힘은 차량외벽의 철판에 도달합니다. 철판은 고정되어 있지만 승객들의 밀치는 힘이 크면 철판도 쪼개지고 승객들은
밖으로 튕겨나갈 겁니다. 백색왜성의
경우, 축퇴압력을 잡아주는 것은 백색왜성의 중력입니다. 만일 축퇴압력이 중력보다 크다면, 자유전자
및 탄소원자들은 백색왜성의 껍질을 부수고 모두 우주공간으로 날아가버릴 것입니다. 반대로 중력이 축퇴압력을 초과한다면, 백색왜성은
중심핵 쪽으로 붕괴될 것입니다.
백색왜성이
동반성인 거성의 물질을 빨아들이기 시작하면, 백색왜성의 중력도 늘어나고, 밀도 또한 같이 늘어납니다. 그런데 위 단락에서 말씀드린 백색왜성의 질량이 찬드라세카르 한계 (1. 44 Msun) 를 넘어서는 순간, 백색왜성의 중력은 증가한
밀도로 인한 전자의 축퇴압력을 초과하게 됩니다.
이에 따라 백색왜성은 중심부 방향으로 붕괴하게 되고, 붕괴로 인한 중심부 압력상승으로
중심부 온도가 급격히 상승하면서 연쇄적 탄소 핵융합으로 초신성 폭발하게 됩니다.
백색왜성
경우는 전자의 축퇴압력과 중력의 균형으로 모양을 유지합니다. 중성자성이 해체 또는 붕괴되지 않는 이유는 중성자의 축퇴압력과 중력의 균형입니다. 이런 축퇴운동과 압력은 온도에 영향을
받지도 않습니다. 고전물리학에서는
절대온도 0 Kevin (– 273. 15 °C) 이 되면 분자운동이 정지합니다. 그렇지만 양자역학의 미립자들은 절대온도 0 Kelvin 에서도 전혀 지장없이 원래대로 움직입니다. 하여간 축퇴운동과 축퇴압력은 인간의 힘으론 막을 방법이 없으니, 한마디로 대책없는 미립자들입니다.
냉전시대의
세계질서를 설명하려고 등장한 이론 중에 현상유지 (現狀維持) 이론이 있습니다.
영어로는 Status Quo 라 쓰는데, 원래
라틴어이며 영어 뜻은 Status that 입니다. 이 단어는 전쟁이전의 상태란 문장에서 상태만을 표기한 것으로, 국가간에 세력균형 (Balance of Power) 이 무너져 현상유지가
안되면 전쟁이 일어난다는 뜻입니다. 물리학에서
축퇴압력과 중력의 균형이 무너지면 해체 또는 폭발이 일어나는 것과 다를 바 없습니다. 미립자나 인간세계나 우주나 돌아가는 이치는 모두 똑같은 것 같습니다.
III. 월하산책
잃어버린 별자리를 찾아서 (20) – 작은게자리
Cancer Minor
(1) Minor 리그 별자리들
새로 시리즈를 시작한 6월 4일 이후로, 지금까지
세 번이나 Petrus
Plancius (플란시우스 1552~1622. 네덜란드) 가 만든 별자리를 알아 보았습니다. 이번에 살펴볼 작은게자리가 Plancius 작품으로는 마지막이 됩니다.
지금은 사라진 작은게 모습을
보기 전에 우선 현존하는 88 개 별자리에 “Minor” 단어가
붙는 것이 몇 개인지 생각해 보았습니다. 그런데
공식명칭에 Minor 붙는 것과는 별도로, 우리말 번역어에서
가끔 “작은” 단어가 붙기도 하고 붙지 않기도 하는 것이
있어 좀 헷갈립니다.
<그림 30 현존하는
88 개 별자리 중 Minor 단어가 붙는 것>
별자리의 공식적 Minor 리그 소속팀은 세 개 밖에 되지 않습니다. 이들 공식별자리만 갖고는 시즌 경기운영이 어려울 듯합니다. 우리말 별자리 두 개팀과 후보팀으로 작은게까지
포함하면 그나마 구색은 맞춰질 것 같습니다.
(2) 또다시
Plancius
작은게자리도 Plancius 가 1612 년 또는
1613 년에 만든 천구에 처음 등장합니다. 아래 성도그림들에서 게와 작은게가 모두 가재 또는 Lobster 처럼 묘사된 사연은 지난 한담객설 2015. 1월 5일자를 참조하시기 바랍니다.
<그림 31/32 Petrus Plancius 의 천구 (1612 또는 1613). 출처 : atlascoelestis.com.
위 그림은 천구이므로 일반성도의
좌우도립 입니다. 아래쪽 그림은
천구원본을 부분 확대한 것입니다. 게와
쌍둥이 사이에 작은게가 보입니다.
아래 그림은 이 천구가 만들어지고 48 년이 흐른 다음 발행된 성도입니다. Andreas Cellarius (1595~1665. 네덜란드인. 독일출생) 분의 작품입니다.
<그림 33/34 Aldrea Cellarius 의
성도 (1660). 출처 : staff.science.uu.nl>
아래 그림은 Stanislaw Lubieniecki 의 성도입니다. Cellarius 의 성도처럼 작은게 소속별이 네 개임을 확인해 보시기 바랍니다.
<그림 35/36 Stanislaw Lubieniecki 의 성도 (1681). 출처 : 출처 : atlascoelestis.com>
Stanislaw Lubieniecki 는 Stanislaus Lubiniezky
(1623~1675. Poland) 등으로도 표기합니다. 위 성도는 이 분 사후인 1681 년에 발행되었습니다. 그런데 이 분은 달에도 Carter 를
갖고 있습니다. Crater 공식명칭은 Lubiniezky (루비니즈키) 입니다.
이 Crater 위치를 한 번 보시지요,
<그림 37 Stanislaw Lubieniecki 이름은 딴 Crater (명칭 : Lubiniezky . 루비니즈키)
출처 : 원치복
지부장님 제작 달지도. 편집. 추가>
(3) 작은게를 추모함
1. 내가하면 걸작, 남이하면 졸작
그러면
작은게자리는 밤하늘에서 정확히 어느 부분일까요 ?
<그림 38 현대성도에서의 작은게 자리 소속 별들. 출처 : Stellarium 화면. 편집. 추가>
요즘 밤하늘에서
작은게 소속별들은 모두 쌍둥이자리에 속해 있습니다.
이 별들은 쌍둥이자리 85 번, 81 번, 74 번, 68 번 별입니다 (85, 81,
74, 68 Geminorum. Gem). 위에서 보여드린 Cellarius 와 Lubieniecki
성도에 표시된 별들과 위치를 비교해 보십시오. 성도에 보이듯이 이들은 모두 5 등급대
별들이므로 서울하늘에서 맨 눈으로 확인하기는 쉽지 않습니다.
1690 년 Johannes Hevelius (1611~1687. 폴란드) 성도에선 작은게가 사라집니다. 삭제한 이유에 대해 Hevelius
가 언급한 자료는 찾지 못했습니다.
굳이 추정한다면, 작은게가 너무 작아서 잘 보이지 않는다거나 또는 공간이 좁아
별자리 구분이 어렵다는 이유가 될 듯합니다.
아래쪽
부분확대도에 작은게자리 소속별 네 개를 표시드렸습니다.
Hevelius
성도에선 동서방향이 일반성도
방향의 반대입니다. 아래 그림은
일반성도 방향과 맞도록 Hevelius
성도를 좌우도립 시킨 것입니다.
<그림 39/40 Johannes Hevelius 성도 (1690).
출처 : Tartu Observatooriumi Virtuaalne Muuseum. 편집. 추가>
확대한 성도엔 작은게의 흔적인 네 개 별만 보입니다. 쌍둥이와 게 사이 좁은 공간에서 기어 다니며, 눈에 잘 띄지도 않는 Plancius 의 작은게는 아마 Hevelius 에게 잡혀 저녁식사용으로 삶아졌을지도 모를 일입니다.
서양에선
취미나 스포츠로 게낚시를 하려면 게낚시 면허 (License) 를 사야합니다. 금액은 그리 크지 않습니다. 게를 잡은 다음엔 일정크기 이상의 성체
게만 가져갈 수 있고, 작고 어린 게는 놓아주어야 합니다. 북미 서부해안에서 잡히는 게는 아래의 두 종류가 대표적인데, 등껍질 길이가 각각 16. 5 cm 및 11. 5 cm 미만인 게는 살려줍니다. 게잡이 어선에서도 어린 게는 다시 바다로 돌려보내는 것을 TV 에서 본 적 있습니다
<그림 41/42 게낚시 끝나고 가져갈 수 있는 게 크기 재는 모습과 종류별 포획가능 크기
출처 : pac.dfo-mpo.gc.ca>
Hevelius 가 살던 17 세기에 낚시 면허제도가 있었다는
말은 듣지 못했습니다. 그러나
굳이 자연보호를 들먹이지 않더라도, 사람에게 해가 되지 않다면 어리고 약한 생물을 해치지 않는 것이
도리일 겁니다.
그런데
Hevelius 가 새로 만들어 1690 년 성도에 처음 소개한 별자리들은 아래의 일곱개
입니다. 이들의 크기와 위치를
한 번 생각해보시기 바랍니다.
• 작은여우 (Vulpecula) • 방패 (Scutum)
• 도마뱀 (Lacerta) • 육분의 (Sextans)
• 살쾡이 (Lynx) • 사냥개 (Canes Venatici)
• 작은사자 (Leo Minor)
참고로, 사냥개자리는 Hevelius 가 새롭게 창작했다고는 볼 수
없습니다. 이것은 1533 년에 Petrus Apianus (또는 Peter Apian. 1495~1552. 독일) 의 저서에서 마차부 (Boötes) 가 데리고 다니는 두 마리의 개로 표현되었습니다. 마차부자리의 라틴어 명칭 Boötes 의 본래 뜻은 “소 (Ox) 를 모는 사람” 입니다.
따라서 마차부가 데리고 다니는 개는 원래 사실 사냥개는 아니고, 양치기 개와
같은 종류인 “소몰이 개” 로 보아야 할 겁니다.
그런데
Hevelius 는 이 소몰이 개들에게 각각 Asterion 과 Chara 라는 이름을 붙여주고, 사냥개들 (Hunting Dogs) 뜻인 Canes Venatici 라는 이름으로
독립시켰습니다. 따라서 소를 모는 Boötes 가 사냥개를 끌고 다니는 모양이 되어버렸습니다. 소몰이도 주말엔 사냥을 즐길 수도 있겠지요.
Hevelius 가 만든 여섯 개 별자리 모두
그 크기가 작은게와 비교해서 크다고 할 수는 없습니다.
또한 이들 중 일부 별자리는 작은게처럼 좁은 공간에 끼워 넣어졌습니다. 예를 들면 작은여우는 백조와 화살 사이를 비집고 들어가 있는 듯 보이고, 방패는 독수리, 궁수와 뱀의 꼬리에 포위되어 있습니다. 이들 별자리와 Plancius 의 작은게를 비교해보면, Hevelius 가 작은게를
삭제한 이유가 형평성에 어긋나는 듯 보입니다.
작은게가 너무 작다거나 또는 공간이 좁아서 삭제했다고 한다면, 그의 작품인
여섯개 별자리들 중 몇 개의 존립기반도 같이 흔들릴 것입니다.
2. 명왕성과 작은게가
닮은 점
Hevelius 의 방패는 그의 조국 폴란드
왕의 방패를 상징하는 별자리입니다. 원래의
별자리 이름은 “Scutum Sobiescianum” 이며,
Hevelius 가 살던 시대의 왕인 Sobieski (소비에스키) 왕의 방패” 란 뜻입니다 (Jan
III Sobieski. 1629~1696). IAU 의 Delporte 위원회가 1928 년부터 1930 년까지 지금의 별자리를 선정할 때, 살아있는 왕에게 충성의 표시로 바쳐지는 이런 별자리는 모두 삭제되었습니다. 지난 2015 년 7월 26일자 칼럼에서 언급드린 것들만 다시 예로 들면 아래와 같습니다. 이외에도 몇 개가 더 있었으나, 역시 모두 삭제됩니다.
• 조지왕의 하프자리
(Astro News Serial No 17. May. 2013 참조)
• 찰스의 참나무 자리
(Astro News Serial No 22. Oct. 2013 참조)
• 포니아토프스키의 황소자리 (한담객설 2014년 9월 14 일자
참조)
그러나 무슨 이유에선지 Delporte 는 Hevelius 의 방패자리에 대해서면 예외를
허락하고 88 개 별자리에 끼워줍니다. 그러면서도 성도상 그림으로만 본다면,
11. 5 cm 도 안될 것 같은 작은게는 살려내지 않았습니다.
위 단락에서 말씀드린 것처럼, 공식적으로 “작은 (Minor)”
단어가 붙은 별자리는 세 개입니다. Minor 단어는 “크기” 가 작은 것을 뜻하며, 어린
(Young) 또는 아기 (Baby) 를 의미하진 않습니다. 하지만 작은게 그림은 누가 보아도 어미게 (Cancer) 를 따라다니는 아기게 (Baby Cancer) 입니다. 밤하늘에 부부와 그의 딸은 있어도 동물이
어미와 새끼로 표현된 별자리는 없습니다. 이
게를 살려내서 “아기게 (Baby Cancer) 또는 어린게 (Young Cancer)” 로 이름 붙여 주었다면, Delporte 위원회의
활동에 모든 사람들이 찬사를 보냈을 지도 모릅니다.
지난
7월 중순, New Horizons 탐사선 때문에 2006
년에 행성에서 퇴출된 명왕성이 다시 조명 받기 시작했습니다. 명왕성은 근대 이후, 새로
발견된 태양계 세 가지 행성 중에서 유일하게 미국인이 발견한 행성입니다. 다른 두 개는 모두 유럽인이 찾아냈습니다. Delporte 위원회가 정한 88 개 별자리들 중의 일부를 보면, 명왕성 가지고 유럽이 주도하는 IAU 와 미국천문학계가 벌이는 기싸움이 생각납니다.
(4) 꽃보다 별자리, 달보다
소행성
Hevelius 도 Lubieniecki
(또는 Lubiniezky) 처럼
달에 별장이 있습니다. 위치를
확인해 보시기 바랍니다.
<그림 43 Hevelius Crater 위치. 출처 : 그림 37 과 동일>
그러나
Plancius 는 달에 Crater 를 가지고 있지 않습니다. 대신 그는 “10648 Plancius” 란 소행성을 유람선 삼아 우주를 여행하며, 대략 4. 5 년에 한 번씩 지구를 방문합니다. 1960 년에 그를 처음 보았다는 기록이 있고, 가장 최근에 목격된 때는 불과 7 개월 전인 2월 12일 입니다. 아래는 NASA 제트추진연구소의 Small-Body Laboratory Database 에 실린 내용을 정리한 것입니다 (ssd.jpl.nasa.gov).
• 발견자 : C.J. van Houten 외 1 인
• 최초 발견 : 1960
년 9월 24일
• 최근 관측 : 2015 년 2월 12일
• 공전 주기 : 1,643.
29 일 (약 4. 5 년)
• 공전 속도 : 초속 18. 01205501 km.
• 황도면에
대한 궤도기울기 : 8. 60992 °
• 근일점 거리
: 2. 2308807 AU.
• 원일점 거리 : 3. 2197087
AU
소행성
10648 Plancius 공전주기는 대략 4. 5 년이므로, 2019 년이면 Plancius 를 다시 볼 수 있습니다. 500 만년 후에 폭발하는 IK Pegasi 초신성 보려고 지금도 “날마다 새로워지고” 있는 중입니다.
그에 비하면 4. 5 년이란 기간은 얼굴을 스쳐가는 바람에 불과할 겁니다. 하지만 Plancius 처럼 소행성 타고 스스로 만든 별자리 감상하며 여행하려면 언제까지 계속 새로워져야 되는지 아득하기만
합니다.
<그림 44 Plancius 가 만든 별자리들. 왼쪽 : 벌. 요단강.
작은게.
기린 (현존).
외뿔소 (현존). 비둘기 (현존). 오른쪽 : 수탉.
티그리스강.
디자인출처 (별자리순서) :
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clipart.com. png.clipart.me. 123rf.com>
<끝>
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