20세기 초에 발견한 감마 카시오페이아(Gamma Cassiopeiae)는 오랫동안 천문학자들에게 여러 수수께끼를 던졌다. 오늘날 우리는 그 작동 원리를 더 잘 이해하지만, 이 별은 항성의 작동 방식에 대해 예상하지 못한 새로운 측면을 드러낸다.

카시오페이아자리에 있는 감마 카시오페이아(Gamma Cassiopeiae)는 120년 동안 과학자들을 매료시켜 왔으며, 우리에게 예상하지 못한 우주 현상을 발견하게 한다. 출처: 닐 마이클 와이어트(Neil Michael Wyatt) / 위키미디어 공용(Wikimedia Commons), CC BY

별을 관측하는 일은 천문학에서 매우 평범해 보인다. 오늘날 우리는 우주의 초기 순간이나 외계행성의 구름 아래에 숨은 우주적 수수께끼를 더 자주 떠올린다. 그러나 매일 밤 보이는 한 별이 50년에 걸친 연구 끝에 마침내 풀린 비밀을 품고 있었다.

이 천체는 밤마다 볼 수 있고 연중 내내 관측할 수 있는 W 또는 M 모양의 별자리 카시오페이아 중심에 있다. 이 별의 이름은 감마 카시오페이아(Gamma Cassiopeiae), 또는 나비(Navi)다. 이 이름은 우주비행사 거스 그리섬(Gus Grissom)이 자신의 중간 이름 이반(Ivan)을 거꾸로 쓴 것에서 유래했으며, 그는 이를 항법에 사용했다. 대중에게는 잘 알려지지 않았지만, 천문학자들에게는 중요한 별이다.

120년 전 이탈리아 천문학자 안젤로 세키(Angelo Secchi)는 이 별의 스펙트럼을 연구하기 위해 망원경을 향했다. 일반적으로 별의 스펙트럼은 무지개와 비슷하며, 그 안에는 어두운 흡수선이 나타난다. 이 선들은 별 대기를 구성하는 원소가 특정 파장의 빛을 흡수한 결과다. 따라서 이러한 선을 분석해 별의 조성을 알아낸다. 그러나 세키는 여기서 이상한 점을 발견했다. 그는 흡수선이 아니라 수소가 방출한 빛에 해당하는 밝은 방출선을 관측했다.

대부분의 별은 스펙트럼(여기서는 태양의 경우처럼)에서 일부 색이 결여된 모습을 보이며, 이는 별의 대기가 특정 파장의 빛을 흡수하기 때문이다. 그러나 감마 카시오페이아(Gamma Cassiopeiae)는 스펙트럼의 다른 부분보다 더 밝은 방출선을 함께 보여 천문학자들을 놀라게 했다. 출처: 미국국립광학천문대(NOAO) / AURA / 미국국립과학재단(NSF), CC BY

수수께끼로 가득한 별

이 첫 번째 수수께끼를 해결하는 데 65년이 걸렸다. 1931년 천문학자 오토 슈트루베(Otto Struve)는 이러한 비정상적인 방출이 별을 둘러싼 물질 원반에서 발생한다고 설명했다. 처음에는 이를 젊은 별 주변에서 형성되는 가스와 먼지 원반인 강착원반(accretion disk)으로 생각할 수 있었다. 그러나 실제로는 별이 방출한 물질로 형성된 감속원반(decretion disk)이었다. 감마 카시오페이아는 이후 물질을 방출하는 뜨거운 별, 즉 Be형 별(방출선을 보이는 B형 별)의 원형(prototype)이 되었다. 이 집단은 B형 뜨거운 별의 상당 부분을 포함한다. 많은 아마추어 천문학자는 원반이 증발하거나 재형성되는 과정에 따라 변하는 밝기를 추적하며 이 별들을 관측한다.

그러나 약 50년 전 감마 카시오페이아가 이 집단을 대표하지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 1976년 초기 X선 우주망원경 가운데 하나인 SAS-3 위성은 감마 카시오페이아에서 나오는 고에너지 X선을 탐지했다. 일반적으로 거대질량별의 X선 방출은 비교적 안정적이고 약하며, 전체 방출의 천만분의 1 수준에 불과하다. 이는 약 500만 도로 가열된 물질에서 기원한다. 그러나 감마 카시오페이아는 이보다 40배 더 강하게 X선을 방출하며, 그 밝기는 몇 분 또는 몇 초 단위로 크게 변한다. 또한 이 방출은 약 1억 5천만 도의 온도에 해당하며 물질을 극도로 이온화한다.

이 별은 또한 형광(fluorescence) 신호를 보인다. 이는 차가운 물질이 빛(여기서는 X선)을 흡수한 뒤 약간 다른 파장에서 다시 방출할 때 나타나는 현상이다. 이러한 현상 역시 거대질량별에서는 전례 없는 특징이다.

감마 카시오페이아, 유일한 사례인가?

시간이 지나며 특히 지난 20년 동안 찬드라(Chandra), XMM-뉴턴(XMM-Newton), eROSITA 같은 우주망원경은 감마 카시오페이아와 유사한 천체 수십 개를 발견했다. 이들은 모두 Be형이며 비정상적인 X선 방출을 보이지만 그 외에는 평범하다. 가장 무거운 Be형 별의 약 10%가 이러한 특성을 보인다. 이는 더 이상 특이 사례가 아니라 하나의 독립적인 천체물리 현상이다.

천문학자들은 이러한 특성을 설명하려 했다. 두 가지 주요 가설을 제시했다. 하나는 별 자체가 원인이라는 것이고, 다른 하나는 동반성, 즉 함께 존재하는 다른 천체가 원인이라는 것이다. 거대질량별이 쌍성 또는 다중성계로 존재하는 경우가 많으므로 이는 놀라운 가설이 아니다.

첫 번째 경우에서는 별의 자기장과 원반의 자기장이 상호작용하며 X선을 생성한다. 이 과정은 빠르고 강력한 사건을 일으키며, 형광은 원반에서 반사된 X선으로 설명한다.

두 번째 경우에서는 동반성이 필요하다. 실제로 천문학자들은 Be형 별이 쌍성 상호작용의 결과로 형성된다고 본다. 감마 카시오페이아는 태양과 비슷한 질량의 동반성을 가진다. 과거 감마 카시오페이아는 더 작은 별이었지만, 동반성으로부터 물질을 받아 질량이 증가하고 빠르게 회전하게 되었다. 동시에 동반성은 밀집 천체로 진화했다. 만약 이 동반성이 외층을 잃은 항성 핵(stripped star)이라면, 이 별에서 나오는 항성풍이 감속원반과 충돌하며 X선을 생성할 수 있다.

그러나 관측 결과는 이 모델의 예측과 일치하지 않아 이 가설은 폐기했다. 동반성이 중성자별이나 백색왜성이라면 원반 물질을 끌어당기고, 이 물질이 낙하하며 X선을 생성할 수 있다. 중성자별의 경우 역시 정밀 계산 결과가 관측과 맞지 않는다. 따라서 두 가지 가능성만 남는다. X선이 거대질량별 근처에서 생성되거나, 백색왜성 동반성 근처에서 생성된다는 것이다.

새로운 위성이 밝혀낸 결정적 단서

이 문제를 해결하려면 X선 방출의 운동을 측정해야 한다. 쌍성계에서는 두 천체가 서로 공전하며 끊임없이 움직인다. 하나가 가까워질 때 다른 하나는 멀어진다. 질량이 10배 큰 별은 10배 적게 움직인다. 따라서 X선이 Be형 별에서 기원하면 그 별의 운동을 따르고, 동반성에서 기원하면 동반성의 운동을 따른다. 이론적으로는 구별이 쉽지만, 기존 X선 관측 장비의 정밀도가 부족했다.

여기서 일본우주항공연구개발기구(JAXA)의 XRISM 위성이 등장한다. 2023년 말 발사한 이 위성은 리졸브(Resolve)라는 특수한 장비를 탑재했으며, 광자를 하나씩 측정해 대상의 속도 같은 특성을 매우 높은 정밀도로 측정한다.

XRISM은 2024년 12월, 2025년 2월, 6월 세 차례에 걸쳐 감마 카시오페이아를 각각 약 반나절 동안 관측했다. 서로 다른 공전 단계에서 얻은 세 번의 측정 결과, 초고온 가스에서 발생한 X선과 더 차가운 가스에서 발생한 형광 신호가 모두 동반성의 운동을 따른다는 사실을 확인했다. 반세기 만에 천문학자들은 이 예상 밖의 X선 방출의 비밀을 마침내 밝혀냈다.

감마 카시오페이아는 물질 원반에 둘러싸인 Be형 별을 포함한다. 이 물질의 일부는 동반성 쪽으로 이동하며, 그 주변에 두 번째 원반을 형성한다. 물질은 결국 극 방향으로 흘러가며 그곳에서 X선을 방출한다. 이 X선의 일부는 백색왜성의 표면에서 반사된다. 출처: 야엘 나제(Yaël Nazé) / 리에주 대학교(Université de Liège), 저자 제공.

수수께끼는 완전히 풀렸는가?

부분적으로 그렇고, 부분적으로는 아니다. 오랫동안 천문학자들은 Be형 별이 백색왜성과 짝을 이룰 것으로 예측했지만, 우리 은하에서 논란 없이 확인한 사례는 없었다. XRISM은 이들이 감마 카시오페이아와 유사한 천체에 존재한다는 사실을 보여준다.

그러나 이론은 이러한 백색왜성이 매우 흔하며 Be형 별의 30~50%와 짝을 이룬다고 예측했다. 실제로는 약 10%에서만 발견하며, 주로 더 무거운 별에서 나타난다. 이는 쌍성계 상호작용을 아직 완전히 이해하지 못했음을 보여준다. 따라서 우리는 앞으로도 감마 카시오페이아와 그 유사 천체에 관해 계속 연구하게 된다.

[출처] Après plus d’un demi-siècle, les astronomes percent les secrets d’une étoile mystérieuse

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

야엘 나제(Yaël Nazé)는 리에주 대학교(Université de Liège) 천체물리학 및 지구물리학 연구소(Institut d'astrophysique et de géophysique) 소속 FNRS 천문학자다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.