반지 성운. 태양 정도 크기의 별이 폭발한 초신성 잔해다. 암흑물질로 형성된 블랙홀이 폭발을 일으켰을지 모른다. 출처 : 허블 사이트.
별은 태어났다가 죽는 생애주기를 갖는다. 우주의 가스가 뭉쳐 핵융합 반응으로 찬란한 빛을 내는 별(star)로 탄생한다. 태양보다 훨씬 무거운 별들은 나이가 들면 단말마적 연쇄 핵융합 반응을 일으키고 폭발한다. 바로 이 순간이 초신성(supernova)의 탄생이다. 우리가 보는 게성운, 반지성운 등은 폭발한 별의 잔해다.
폭발은 별의 중심이 아니라 약간 비켜난 곳에서 일어나는데, 그 중심엔 블랙홀 혹은 중성자별이 남는다. 이러니 별은 죽어 초신성이 된 것일까, 아니면 블랙홀이나 중성자별로 변신한 것일까. 아무튼 인간보다 극적인 임종을 겪는 것은 분명한 것 같다.
그런데, 태양 질량과 비슷하거나 약간 작은 별들의 최후는 큰 별들과는 많이 다르다. 이들은 나이가 들어 핵융합 반응을 할 수 없게 되면 적색거성이 되었다가 핵융합 반응을 완전히 멈춘 작고 차가운 백색왜성으로 조용히 생을 마감한다.
하지만 백색왜성도 극적이고 격렬한 반전을 갖기도 한다. 폭발해 초신성으로 최후를 장식하는 것이다. 백색왜성이 폭발해 만들어진 초신성을 ‘Ia형 초신성’이라고 한다.
차갑고 작은 백색왜성이 어떻게 폭발할 수 있을까? 흔히 백색왜성인 연성(두 별이 공통무게중심으로 공전하는 쌍성계)의 하나인 경우 동반별의 일부를 집어삼킨 나머지 몸무게가 늘어 폭발한다는 이론이 있다. 이에 따르면 백색왜성은 한계질량(찬드라세카르 질량)인 태양질량의 1.44배가 넘으면 내부 중력붕괴로 폭발한다.
하지만 이 이론은 백색왜성의 폭발을 점화하는 메커니즘을 정확하게 알려주지 못한다. 비교적 흔한 백색왜성은 우주 곳곳에는 폭발하고 있고 ‘Ia형 초신성’이 많은데 우리는 백색왜성의 폭발을 일으키는 점화장치를 모르고 있는 셈이다.
이런 가운데 최근 캐나다 퀸즈대학의 조셉 브라만테(Joseph Bramante)와 하비에르 아체베도(Javier Acevedo) 교수가 암흑물질로 만들어진 블랙홀이 백색왜성 폭발의 원인이라는 주장을 제기해 관심을 모은다. 이들의 논문은 물리학 저널 ‘피지컬 리뷰 D(PHYSICAL REVIEW D)’ 최근호에 실렸다.
브라만테와 아체베도 교수는 암흑물질이 태양질량의 1~1.4배인 백색왜성과 접촉했을 때 일어날 수 있는 일을 모델링했다. 암흑물질이 빛 속도의 약 1%로 백색왜성으로 떨어지면 암흑물질은 처음엔 뜨거워졌다가 백색왜성과 상호작용함에 따라 점차 식어 중심부로 모인다. 암흑물질이 충분히 뭉쳐지면, 그것은 자체 중력붕괴를 일으켜 작은 블랙홀이 되어 백색왜성의 심장부에 둥지를 틀게 될 것이라는 게 연구팀의 생각이다.
브라만테는 "아마 그 블랙홀은 양성자 정도의 크기에 불과하겠지만 질량은 엄청날 것이다. 그래서 아주 짧은 시간에 백색왜성의 물질을 빨아들일 것“이라고 말했다.
하지만 다른 한편으로 그 블랙홀은 ‘호킹복사(Hawking radiation)’를 시작하면서 점차 증발하기 시작한다. 즉, 백색왜성 중심부의 블랙홀은 물질을 빨아들이면서 한편으론 빛을 방출하는 것이다. 방출과 흡입, 양자의 대결은 블랙홀의 덩치에 승패가 달렸다.
만약 호킹복사가 승리한다면, 백색왜성의 폭발로 귀결된다. 내부 블랙홀은 호킹복사로 크기가 축소되면서 점점 더 뜨거워진다. 이렇게 30억 년쯤 지나면 핵융합 반응이 재개되고 백색왜성은 마침내 폭발한다.
연구팀은 온도가 몇도까지 올라갈 것인지는 정확하게 제시하지 않았다. 이들은 백색왜성의 내부 메커니즘을 규명하는 작업은 아직 갈 길이 먼 양자중력 이론에 기댈 수밖에 없음을 인정했다. 한편으론 이 연구가 양자중력 과정을 규명하는 좋은 사례가 될 수 있을 것이라고 제안했다.
# 기사 출처 : ♠PHYSICAL REVIEW D, Supernovae sparked by dark matter in white dwarfs
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.043020
♠NEWSCIENTIST, Black holes formed from dark matter could be making dead stars explode
https://www.newscientist.com/article/2226326-black-holes-formed-from-dark-matter-could-be-making-dead-stars-explode/
<'우주관 오디세이' 저자>
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