죽어가는 별에서 발견된 지구의 대륙지각?!
죽어가는 별에서 발견된 지구의 대륙지각?!
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.22 16:00
  • 조회수 1590
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죽어가는 별의 대기에서 지구의 대륙지각과 유사한 성분이 발견됐습니다. ‘Nature Astronomy’에 게재된 연구에 따르면 워릭대학교(University of Warwick) 천문학자들은 백색왜성 4개의 대기에서 지구와 화성과 같은 암석형 행성의 지각과 유사한 성분들을 찾아냈는데요. 수십 억년 전까지만 해도 별의 궤도를 돌고 있었을지 모르는 행성의 흔적을 엿보고, 행성의 화학작용에 대한 통찰력을 얻을 수 있게 됐습니다.

차가운 백색왜성 주위에서 조석력에 의해 분해되는 행성 지각의 잔해. 원반 속 물질은 별 가까이에서 기화돼 백색왜성 대기로 흘러들어간다. 출처: University of Warwick/Mark Garlick
차가운 백색왜성 주위에서 조석력에 의해 분해되는 행성 지각의 잔해. 디스크 속 물질은 별 가까이에서 기화돼 백색왜성 대기로 흘러들어간다. 출처: University of Warwick/Mark Garlick

죽어가는 별, 백색왜성

 

우주에서 죽어가는 작은 별들은 진화 마지막 단계에서 백색왜성(White dwarfs)이 되는데요. 일반적으로 태양의 0.4~8배 이하의 질량을 지닌 항성들이 핵융합을 마치고 별의 진화 끝에 다다르는 마지막 모습입니다. 태양과 같은 항성은 헬륨 연소 과정 동안 적색거성이 된 다음, 외부 대기층들은 떨어져나가고 지구와 비슷한 크기로 줄어들며, 대부분 탄소와 산소로 이뤄진 핵만 남아 백색왜성을 형성하게 됩니다.

백색왜성, 너니? 출처: NASA/JPL-Caltech
백색왜성, 너니? 출처: NASA/JPL-Caltech

백색왜성은 상대적으로 가벼운 질량 때문에 중심핵에서 핵융합을 일으킬 만큼 충분한 온도에 도달하지 못합니다. 그래서 에너지를 생성할 수 없고 점차 식어갑니다. UC 산타크루즈 대학교에 따르면 모든 별의 약 90%가 백색왜성으로 생을 마감하게 될 것이라고 하는데요. 이는 수 억년에 걸쳐 천천히 식고 희미해지는 밀도가 매우 높은 별들의 잔해라고 할 수 있습니다.

 

이번 발견에서는 지금까지 천문학자들이 본 가장 오래된 행성계 중 하나를 포함하고 있다고 하는데요. 워릭 대학교가 이끄는 연구팀은 유럽우주국(ESA)의 가이아 망원경(Gaia telescope)을 이용해 1,000개가 넘는 백색왜성의 데이터를 분석했습니다. 그러던 중 한 특정한 백색왜성으로부터 특이한 신호를 발견했습니다.

 

연구진은 분광학을 이용해 각기 다른 파장으로 오는 별빛을 분석했는데요. 별의 대기 중에 존재하는 원소들이 다른 색깔로 빛을 흡수하는 때를 감지해 그것들이 어떤 원소이고 얼마나 존재하는지 결정할 수 있게 해줍니다. 연구진은 또한, 지난 20년 동안 발표된 슬로언 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey)에서 약 3만 개의 백색왜성 스펙트럼도 함께 조사했습니다.

다양한 원소의 각기 다른 스펙트럼. 출처: NASA JPL
다양한 원소의 각기 다른 스펙트럼. 출처: NASA JPL

이를 통해 백색왜성으로부터 오는 특이한 신호가 리튬의 파장과 일치한다는 것을 밝혀냈는데요. 이어서 천문학자들은 곧 같은 신호를 가진 세 개의 백색왜성을 더 발견하게 됩니다. 그 중 하나의 대기에서는 칼륨이 관측되기도 했는데요. 리튬과 칼륨의 양을 그들이 탐지한 다른 원소인 나트륨과 칼슘의 양과 비교함으로써 화학적 구성을 유추할 수 있었습니다. 결과는 놀라웠는데요. 지구와 화성과 같은 암석형 행성 지각의 화학적 구성과 일치했기 때문입니다. 그 지각들이 2백만년 동안 항성의 기체로 된 외층 내에서 기화되고 혼합되었다는 가정 하에 말이죠.

 

Mark Hollands 박사는 이제 이러한 원소들을 탐지하기 위해 어떤 화학적 특징을 찾아야 하는지 알게 됐으며, 엄청난 수의 백색 왜성을 관찰하고 더 많은 것들을 찾을 수 있는 기회를 얻었다고 밝혔습니다. 또한 그 화학적 특징의 분포를 통해 얼마나 자주 이러한 행성 지각을 탐지할 수 있는지, 그리고 우리의 예측과 어떻게 비교되는지 볼 수 있다고 전했습니다.

 

행성 지각에 대한 단서

 

백색왜성 외층에는 최대 30만 기가톤의 암석 파편이 존재한다고 하는데요. 여기에는 최대 60기가톤의 리튬과 3000기가톤의 칼륨이 포함돼 있다고 합니다. 이는 지구 지각과 비슷한 밀도를 가진 약 60km 구체에 해당한다고 합니다. 발견된 지각 물질의 양은 우리가 태양계에서 보는 소행성의 질량과 비슷하기 때문에 천문학자들은 4개의 백색왜성 주위에서 자신들이 보고 있는 것은 행성 전체가 아니라 행성에서 떨어져 나온 물질이라고 생각하고 있습니다.

 

이번 연구의 주요 저자이자 워릭 대학교의 물리학과의 Mark Hollands박사는 “과거 우리는 맨틀과 핵 같은 모든 종류의 물질들을 보아왔지만 행성 지각에 대한 명확한 발견은 하지 못했었다”며 “리튬과 칼륨은 지각 물질의 좋은 지표이며, 맨틀이나 핵에서 높은 농도로 존재하는 원소”라고 밝혔습니다. 즉, 백색왜성에 대한 이전 관찰에서는 행성의 내핵과 맨틀 물질에 대한 증거가 발견됐지만, 지각 물질의 결정적인 증거는 찾지 못했습니다. 왜냐하면 지각은 행성 질량에 있어 매우 작은 부분을 차지하고, 이 연구에서 감지된 원소들은 별이 매우 차갑게 식었을 때에만 탐지가 가능하기 때문입니다. 백색왜성은 별의 수명 주기에 마지막 단계로, 수십억 년 동안 연료를 다 태우고 식어가고 있기 때문에 연구진들은 백색왜성에 집중한 겁니다. 이번에 연구진이 발견한 백색왜성 역시 100억년 전 가지고 있던 연료를 다 태운 것으로 추측되며 우리 은하에서 형성된 가장 오래된 백색 왜성들 중 하나일 수 있다고 합니다.

지구 속을 들여다 보면. 출처: NASA/JPL-Université Paris Diderot - Institut de Physique du Globe de Paris
지구 속을 들여다 보면. 출처: NASA/JPL-Université Paris Diderot - Institut de Physique du Globe de Paris

이번 연구의 공동저자인 Pier-Emmanuel Tremblay 박사는 "한 사례에서, 우리는 110~125억년 전에 은하 헤일로(Galactic halo)에서 형성된 항성 주변에 있던 행성의 구성을 보고 있다"며 "그래서 지금까지 알려진 것 중 가장 오래된 행성계 중 하나임에 틀림없다"고 밝혔습니다. 이어 "또 다른 시스템에서는 처음에 태양 질량의 4배가 넘는 짧은 수명을 가진 항성을 중심으로 형성됐는데, 이는 행성이 모항성 주위에서 얼마나 빠르게 형성될 수 있는지에 대한 중요한 제약 조건을 알려주는 기록적인 발견이다"고 전했습니다. 이 백색왜성들 중 가장 오래된 것은 평균보다 70% 더 크기가 더 컸는데, 그 거대한 질량은 대기 중의 어떤 물질도 비교적 빨리 사라지게 만들었습니다. 이에 백색왜성은 주변의 파편 디스크로부터 지각 물질들을 보충해야 했을 것으로 추측됩니다. 또한 천문학자들은 백색왜성에서만 예상보다 더 많은 적외선을 감지했는데 이는 별에 의해 디스크가 가열된 후 더 긴 파장으로 재방사 된다는 걸 보여줍니다.

 

Hollands 박사는 "우리가 이해하고 있는 바와 같이 암석형 행성의 형성은 다른 행성계에서도 비슷한 방식으로 일어난다"며 "처음에는 별과 비슷한 물질 구성으로부터 형성되지만 시간이 지남에 따라 이 물질들은 분리되고 결국 행성의 각기 다른 부분에서 다른 화학적 구성을 갖게 된다"고 말합니다. 덧붙여 "우리는 이러한 천체들이 어떤 시점에서 별의 처음 구성과는 다른 분화를 겪었다는 걸 알 수 있다"고 전했습니다. 또한 “지금 대부분의 일반 항성이 태양과 같이, 행성을 품고 있다고 알려져 있지만 이제는 다른 종류의 물질들을 자주 관찰할 수 있는 기회가 생겼다”고 전했습니다. 


##참고자료##

 


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