이 상상도는 두 개의 매우 작지만 극도로 밀도가 높은 중성자별이 병합하며 폭발하는 순간을 보여준다. 유럽남방천문대(ESO) / L. 칼사다(L. Calçada) / M. 코른메서(M. Kornmesser), CC BY

우주의 외딴 영역, 수십억 광년 떨어진 곳에서 죽은 별의 초고밀도 잔해인 두 중성자별이 충돌했다. 이 파국적인 우주 사건은 감마선의 순간적인 섬광을 포함한 빛과 입자를 우주 전역으로 방출했다. 이 감마선은 지구에 도달하기까지 85억 년을 이동했다.

우리 천체물리학 연구팀은 새로운 연구에서 이 감마선 신호를 분석했다. 우리는 이 신호를 만들어낸 항성 충돌이 더 큰 규모의 파국적 사건, 즉 두 은하의 병합에서 비롯되었을 가능성이 높다는 사실을 확인했다.

이 삽화는 은하 병합 과정을 보여주며, 이러한 사건이 항성 충돌을 유발하고 귀금속 원소를 생성한다는 사실을 나타낸다. 포르투나(Fortuna), 디키아라(Dichiara) / ERC BHianca 2026, CC BY-NC-SA 4.0, CC BY-SA

천문학자들이 이러한 유형의 신호를 이처럼 대규모 은하 상호작용과 연결한 것은 이번이 처음이다. 이 발견은 항성 충돌이 우주 전반에 금속 원소를 어떻게 퍼뜨리는지에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

이 연구가 중요한 이유

두 중성자별이 서로를 공전하다가 결국 충돌하는 계, 즉 쌍성 중성자별 병합(binary neutron star merger)은 우주에서 가장 강력한 폭발을 일으킨다. 이 과정에서 천문학자들이 단시간 감마선 폭발(short gamma-ray burst)이라 부르는 강력한 감마선 섬광을 방출한다. 이 폭발은 몇 초도 채 되지 않는 시간 동안 태양이 평생 방출할 에너지에 맞먹는 에너지를 방출한다.

쌍성 중성자별 병합이 진행되며 킬로노바 폭발로 이어지는 과정을 보여주는 애니메이션이다.

쌍성 중성자별 병합에서 두 개의 고밀도 중성자별은 서로를 공전하다가 결국 충돌한다. 이 과정에서 강력한 감마선 폭발을 방출한다.

이러한 충돌은 또한 물질 파편을 우주 공간으로 방출하며, 이 파편이 서로 충돌하면서 새로운 방사성 원소를 형성한다. 금과 백금을 포함한 많은 귀중한 원소가 이러한 병합 과정에서 생성된다.

GRB 230906A로 알려진 이 특정 사건이 특별한 이유는 그 발생 위치에 있다. 우리는 미국항공우주국(NASA)의 찬드라 X선 관측선(Chandra X-ray Observatory)과 허블 우주망원경(Hubble Space Telescope)을 사용해 폭발 위치를 특정했고, 그 모은하를 지금까지 단시간 감마선 폭발과 연관된 은하 가운데 가장 희미한 은하 중 하나로 확인했다.

칠레의 초대형망원경(Very Large Telescope)으로 얻은 관측은 이 폭발이 서로 얽혀 상호작용하는 은하계 구조 내부에서 발생했음을 보여준다. 과거 은하 상호작용으로 찢겨 나온 별과 가스의 흐름이 이 영역 전반에 걸쳐 뻗어 있다. 감마선 폭발은 이러한 조석 꼬리(tidal stream) 가운데 하나 내부에 위치하며, 이는 은하 충돌 과정에서 모은하로부터 떨어져 나온 물질로 형성된 작은 왜소은하 내부에서 사건이 발생했음을 시사한다.

칠레 아타카마 사막에 위치한 초대형망원경(Very Large Telescope)이다. 유럽남방천문대(ESO) / H.H. 헤이어(H.H. Heyer), CC BY

쌍성 중성자별 병합을 이러한 환경과 연결한 것은 이번이 처음이다. 이 발견은 이러한 우주 충돌이 발생할 수 있는 새로운 환경을 제시하며, 이러한 사건이 거대한 은하에서만 일어나는 것이 아님을 보여준다. 또한 예상하지 못한 곳에서도 무거운 금속 원소가 퍼질 수 있는 새로운 경로를 제시한다.

우리 연구는 이러한 중성자별 병합의 기원을 은하 사이에서 작용하는 중력의 느리지만 광범위한 영향으로 거슬러 올라간다. 이 결과는 이러한 극단적인 사건이 어디에서 발생할 수 있는지를 이해하는 데 도움을 주며, 무엇보다 우리 세계를 구성하는 원소가 어떻게 형성되었는지를 설명한다.

아직 밝혀지지 않은 점

이 폭발은 매우 먼 거리에서 발생했기 때문에 우리의 관측 장비는 충돌 과정에서 어떤 원소가 생성되었는지를 직접 측정하지 못했다. 이와 유사한 밝은 폭발은 쌍성 중성자별 병합뿐 아니라 중성자별과 블랙홀의 병합, 혹은 태양과 비슷한 별의 잔해인 백색왜성과 같은 다른 밀집 천체의 병합에서도 발생할 수 있다.

향후 연구 방향

제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)과 낸시 그레이스 로먼 우주망원경(Nancy Grace Roman Space Telescope)과 같은 새로운 강력한 관측 시설은 무거운 원소를 생성하는 먼 병합 사건을 발견하고 상세히 연구할 수 있게 할 것이다.

뉴아테나(NewAthena)와 AXIS와 같은 차세대 X선 관측 임무는 이러한 폭발을 식별하는 능력을 향상시킬 것이다.

이러한 관측 능력의 발전은 아인슈타인 망원경(Einstein Telescope)과 코스믹 익스플로러(Cosmic Explorer)와 같은 차세대 중력파 검출기 개발과 함께 이루어진다. 이러한 장비는 이러한 병합의 물리적 본질을 규명하게 하며, 다중신호 천문학(multimessenger astronomy)의 새로운 시대를 연다. 이들 망원경은 우리 세계를 구성하는 원소가 어떻게 형성되는지를 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다.

[출처] Astrophysicists trace the origin of valuable metals in space, from colliding stars to merging galaxies

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

시모네 디키아라(Simone Dichiara)는 펜실베이니아 주립대학교(Penn State) 천체물리학 조교수급 연구교수(Assistant Research Professor)다. 엘레오노라 트로야(Eleonora Troja)는 로마 토르 베르가타 대학교(University of Rome Tor Vergata) 천체물리학 부교수다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.