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[표지로 읽는 과학] 별은 죽어서 티타늄을 남긴다

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[표지로 읽는 과학] 별은 죽어서 티타늄을 남긴다

2021.04.24 06:00
네이처 제공
네이처 제공

카시오페이아자리 A(Cas A)는 천문학자들에게 특별한 존재다. 지구에서 1만1000광년 떨어진 카시오페이아자리에 있는 초신성 잔해인 카시오페이아 A는 우리 은하의 가장 젊은 초신성 잔해 중 하나다. 태양 질량의 15~25배인 별이 폭발해서 생긴 것으로 추정되지만, 아직 천문학자들은 초신성 폭발이 어떤 과정을 거쳤는지 정확히 알지 못한다. 


최근에는 초신성 폭발에서 중성미자가 중요한 역할을 했을 것이라는 이론이 학계의 지지를 얻고 있다. 태양은 약 45억 년 뒤 연료로 사용하는 수소가 고갈되면 적색거성으로 변하면서 생을 마친다. 하지만 태양보다 질량이 10배 이상 큰 별은 더 태울 연료가 없으면 초신성 폭발을 일으키며 엄청난 빛과 함께 중성미자, 탄소(C), 철(Fe) 같은 원소들을 내뿜고, 이후 중성자별이나 블랙홀이 된다. 


최근 3차원 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면 중성자별이 생성될 때 만들어진 중성미자는 중성자별의 속도를 높이는 ‘거품’ 역할을 하고, 이런 중성미자 거품은 초신성 폭발의 방아쇠를 당기는 충격파를 떠미는 역할을 한다. 중성미자가 초신성 폭발에 중요한 역할을 한다는 것이다. 


국제학술지 ‘네이처’ 21일자 표지는 이런 가설을 뒷받침할 수 있는 카시오페이아 A의 관측 이미지가 실렸다. 이 이미지는 미국항공우주국(NASA)의 찬드라 X선 망원경이 촬영한 것으로, 연구진은 초신성 잔해에서 선명한 티타늄 거품을 확인했다고 밝혔다. 앞선 컴퓨터 시뮬레이션에서 카시오페이아 A에 티타늄의 존재가 예측됐는데, 실제로 그 존재가 확인된 셈이다. 


중성미자는 ‘유령 입자’로 불릴 만큼 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 하지만 이 가운데 1%가량은 다른 물질과 상호작용을 일으키는 것으로 알려졌다. 초신성 폭발 과정에서 원자핵이 중성자를 포획해 점점 무거워지고, 그 핵들이 붕괴해 다양한 핵종을 만들어내는 과정에서 안정적인 원소는 다른 원소로 붕괴할 수 없고, 결국 중성미자의 핵합성으로 생성될 수밖에 없다는 것이다. 2018년 국내 연구진은 초신성 폭발에서 생성되는 테크네튬이 중성미자에 의한 핵합성으로 생성된다는 사실을 밝혀내기도 했다. 


연구진은 이번 관측 결과가 적어도 일부 초신성 폭발에서 중성미자의 역할을 입증하는 강력한 증거가 될 것이라고 기대했다. 논문의 교신저자인 사토 토시키 일본 이화학연구소(RIKEN) 박사는 “전자제품, 보석 등 우리가 사용하는 티타늄은 대부분 초신성 폭발에서 생성된 것일 것”이라고 말했다. 카시오페이아 A에서 생산된 티타늄의 양은 지구의 총 질량을 넘는다. 


이번 연구에는 2000~2018년 찬드라 X선 망원경으로 18일이 넘는 150만 초 이상 카이오페이아 A를 관측한 자료가 사용됐다.

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