[하정열 우주화가의 시·그림 우주여행] (104) 초거성(超巨星, Supergiant)

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우리는 태양이 가장 큰 별이라고 생각할 수 있으나, 우주에는 태양보다 백만 배나 큰 스티븐슨 2-18처럼, 태양은 비교가 안 될 정도로 거대한 항성들이 존재한다.

별들은 통상 죽음을 앞두고 팽창하며 커진다. 2024년 11월 22일 찬란한 죽음을 앞둔 적색 초거성이 최후의 가스를 내뿜는 장면이 촬영되었다. 칠레 안드레스벨로대가 중심이 된 국제연구진은 유럽남방천문대(ESO)의 초대형 망원경 간섭계(VLTI)를 이용해 16만 광년 거리에 있는 위성 은하인 대마젤란운에 있는 적색 초거성 ‘WOH G64’을 확대 촬영했다고 국제학술지 ‘천문학과 천체물리학’에 발표했다. 과학자들이 우리 은하 밖에서 죽어가는 별의 상세한 모습을 처음으로 촬영하는 데 성공한 것이다. 이것은 태양의 약 2000배 크기이며, 초신성으로 폭발하기 전에 마지막으로 가스와 먼지를 분출하고 있는 적색 초거성이다.

연구를 주도한 케이이지 오나카 교수는 “간섭계의 높은 선명도에 힘입어 별과 가까운 거리에서 별을 둘러싸고 있는 가스와 먼지로 이뤄진 달걀 모양의 고치를 발견했다”며 “이 별은 초신성 폭발 전에 물질을 격렬하게 내뿜는 마지막 단계에 있는 것으로 보인다”고 말했다.

연구진은 “이 별과 같은 적색 초거성은 마지막 단계에서 수천 년 동안에 걸쳐 바깥층의 가스와 먼지를 먼 우주로 날려보낸다”며 “이 별은 그런 별 가운데 가장 극단적인 사례여서 폭발적인 종말을 맞을 수 있다”고 밝혔다.

우주를 연구하는 우리는 ‘초거성(超巨星, Supergiant)’에 대해서 보다 상세하게 알아볼 필요가 있다. 초거성은 매우 무겁고 밝은 별 중 하나이다. 즉 많은 양의 무거운 원소를 가진 진화한 별이다. 초거성은 일반적인 거성보다 거대한 항성들을 통칭하는 단어로, 반지름이 크고 밝다는 특징을 공유하는 항성들이 여기에 포함된다.

초거성이라는 용어는 구체적인 단일 정의가 아니어서, 보통 초거성으로 여기지 않거나, 그럴 수 없는 진화한 별의 각가지 다른 분류가 존재한다.

초거성은 태양질량의 8~12배 이상의 질량을 가지고 있다. 광도는 태양 광도의 약 만 배에서 백만 배 이상이다. 절대 복사등급은 -5에서 -12등급 사이이고, 온도는 약 3,500~20,000K이다. 온도에 따라서 적색 초거성, 황색 초거성, 백색 초거성 및 청색 초거성으로 분류된다.

반지름은 보통 태양반지름의 30~1,000 배 정도로 매우 다양하며, 큰 질량으로 인해 이들은 초신성으로서 폭발할 가능성이 매우 높다. 우리에게 널리 알려진 오리온자리의 어깨 부분을 장식하는 별 베텔게우스는 지구에서 두 번째로 가까운 적색 초거성으로, 태양보다 무려 750배나 큰 반지름을 자랑한다. 지금의 태양 위치에 베텔게우스를 가져다 놓으면 수성, 금성, 지구, 화성이 모두 베텔게우스의 화염 안에 삼켜지게 될 정도다.

태양보다 훨씬 큰 별들은 WOH G64처럼 중심부의 핵융합 연료가 고갈되면 바깥층이 부풀어 오르는 적색거성 단계를 지나 초신성으로 폭발하면서 우주에 새로운 원소들을 뿌려준 다음, 최종적으로 블랙홀이나 중성자별이 된다.

O형 주계열성과 대부분의 무거운 B형 청백색 별은 초거성이 된다. 이들은 매우 무거운 질량 때문에 3,000만 년에서 수십만 년의 짧은 수명을 가진다. 주로 산개성단, 나선은하의 나선팔, 불규칙은하와 같은 어린 은하의 구조에서 관측되며, 늙은 별로 구성된 타원은하나 구상성단에서도 희귀하나마 관측되기도 한다.

초거성은 무거운 주계열성이 중심핵의 수소를 소진할 때 진화된다. 이후 작은 질량의 별들처럼 팽창하기 시작하지만, 작은 질량의 별과는 달리 중심핵에서 수소가 소진되면 즉각적으로 헬륨을 융합하기 시작한다. 이는 별의 광도가 작은 질량의 별처럼 극단적으로 상승하지 않고, HR 도표상에서 수평에 가깝게 이동하여 적색거성이 되는 과정을 의미한다.

작은 질량의 별과는 달리, 적색 초거성은 헬륨보다 무거운 원소를 융합하기에 충분히 무겁다. 그래서 이들은 헬륨이 고갈되었을 때 행성상 성운처럼 자신의 대기층을 방출하지 않는다. 그뿐 아니라, 이들은 질량을 너무나 많이 잃어 백색왜성을 형성할 수 없다. 그래서 보통 중심핵 붕괴로 인한 초신성 폭발 이후에 중성자별이나 블랙홀을 잔해로 남게 된다.

초거성은 희귀하고 짧은 수명의 별이지만, 높은 광도로 인해 하늘에서 육안으로 보이는 가장 밝은 별들이 바로 이들이다. 리겔은 오리온자리에서 가장 밝은 별이고 전형적인 청백색 초거성이다. 데네브는 백조자리에서 가장 밝은 별으로 백색 초거성이다. 세페우스자리 델타는 세페이드 변광성의 유명한 원형으로 황색 초거성이다. 베텔게우스와 안타레스는 적색 초거성이고, 세페우스자리의 뮤는 육안으로 가장 붉게 보이는 별 중 하나로 우리은하에서 가장 거대한 별 중 하나다.

이러한 의미를 담아 그림 대마젤란운 적색 초거성 ‘WOH G64’ 242001P를 그리고, 시 ‘아름다운 적색 초거성’을 썼다.

/우주화가 하정열(Cosmos Painter Ha, Jung-Yul)