1181년 폭발한 별이 남긴 가스 매듭, 하나하나가 해왕성 궤도의 10배 넘는 크기

불꽃놀이처럼 얼어붙은 듯 Pa 30에서 터져 나온 빛나는 줄무늬는 사실 줄무늬가 아니다. 하와이에 있는 제미니 노스(Gemini North) 망원경의 새로운 이미지는 각 필라멘트가 구슬처럼 이어진 가스 매듭(knot)들의 사슬이며, 각 매듭은 여덟 개 행성 전체의 궤도를 약 열 배는 더 품을 수 있을 정도로 넓다는 것을 보여준다.

이는 Pa 30이 우리 은하에서 천문학자들이 드물고 반쯤 실패한 항성 폭발의 잔해를, 그 생존자가 여전히 그 안에 남아 있는 상태에서 연구할 수 있는 유일한 장소이기 때문에 중요하다. 이 매듭들은 그 잔해가 어떻게 분해되었는지를 처음으로 자세히 보여주며, 별의 위치는 폭발이 대부분의 초신성보다 훨씬 더 균일했음을 시사한다.

Pa 30은 중국과 일본의 중세 천문학자들, 그리고 아랍 기록에서도 관측되어 카시오페이아자리에서 타오르는 모습을 목격한 ‘손님별(guest star)’의 잔해일 가능성이 높다. 오늘날 이 성운은 민들레 씨앗 머리처럼 보인다: 극도로 뜨거운 중심별 주위에 방사형으로 뻗은 필라멘트들의 구체이다. Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian의 팀 커닝햄(Tim Cunningham)과 오스트리아 과학기술연구소(Institute of Science and Technology Austria, ISTA)의 일라리아 카이아초(Ilaria Caiazzo)가 이끈 새로운 관측 결과, 이전 이미지보다 약 열 배 더 많은 필라멘트가 드러났다.

“우리 태양계에서 행성들이 있는 영역이 매듭 하나에 약 열 번, 그러고도 여유 있게 들어갑니다.” 카이아초는 이렇게 말했다. “매듭들은 놀라울 만큼 균일합니다. 이를 모델링해 볼 생각에 무척 설렙니다.”

제미니 노스가 별빛 속에서 어떻게 매듭을 끌어냈나

연구진은 마우나케아 해발 4,200미터 이상에 위치한 제미니 노스의 제미니 다중물체분광기(Gemini Multi-Object Spectrograph, GMOS)를 사용했다. 모든 가시광선을 수집하는 대신, 특정 원자만의 발광을 통과시키는 협대역 필터를 사용했다: 붉은색으로 빛나는 이온화된 황, 그리고 청록색으로 빛나는 이중 이온화된 산소이다. 나머지를 차단하면 희미한 가스가 뒤에 있는 빽빽한 별무리 배경에서 두드러지게 나타난다.

황색광에서 감지된 필라멘트의 수는 이전 연구에 비해 약 10배 증가했다. 자세히 살펴보면, 그 필라멘트들은 매끄러운 선이 아니라 매듭이나 덩어리들이 계단식으로 이어진 형태였다. 산소 이미지는 두 번째 결과를 제공했다: 이전 관측에서 보였던 확산된 산소 발광이 별개의 구름이 아니라 동일한 필라멘트에서 비롯된 것이라는 첫 확인이다.

매듭을 측정하는 것은 대기가 허용하는 한계에서 작업하는 것을 의미했다. 황 필라멘트의 중간 너비는 0.7 arcseconds로, 그날 밤 망원경 위 공기의 흐릿함(0.5 arcseconds)보다 약간 더 넓었다. 그 작은 차이는 필라멘트가 부분적으로 분해되었음을 의미하며, 이는 전형적인 매듭 직경이 약 10^16 센티미터, 즉 대략 1,000억 킬로미터임을 시사한다.

감각적으로 와닿는 Pa 30의 숫자들

해왕성의 궤도는 약 90억 킬로미터이므로, Pa 30의 단일 매듭 하나는 그것들을 나란히 놓은 것보다 열 배 이상 더 크다. 이는 지구와 태양 사이 거리의 약 670배이며, 성운에는 이 매듭들의 사슬이 늘어서 있다.

Pa 30은 지구로부터 약 7,500광년 떨어져 있다. 멀게 들리지만, 우리 은하의 중심(약 26,000광년)보다 훨씬 가깝고, 이러한 근접성이 매듭을 볼 수 있는 전적인 이유다. “우리가 이렇게 많은 세부사항을 볼 수 있는 것은 Pa 30이 지구에 가깝기 때문입니다”라고 카이아초는 말했다.

성운의 중심에 있는 별(카탈로그 명칭 IRAS 00500+6713)은 약 20만 도(섭씨)로 타오르며, 태양 표면보다 30배 이상 뜨겁다. 이 별은 초속 약 16,000킬로미터(광속의 5% 이상)의 바람을 일으킨다. 이 별을 만든 초신성은 망원경이 발명되기 전에 지구에서 관측된 우리 은하의 단 5개 초신성 중 하나이다.

절대 걷어차이지 않은 별

대부분의 초신성은 자신의 별을 파괴하거나 조밀한 시체를 남긴다. Pa 30은 ‘유형 Iax’이라는 더 희귀한 등급에 속한다: 더 낮은 에너지의 불완전한 열핵 폭발로, 손상된 생존자(흔히 ‘좀비 별’이라고 불림)를 남긴다. 연구자들은 이것이 연료를 다 쓴 별들의 조밀하고 지구 크기의 잔해인 두 백색 왜성 간의 충돌로 시작되었을 것이라고 제안해 왔다. Pa 30은 우리 은하에서 알려진 유일한 유형 Iax 잔해이다. 다른 은하에도 유사한 천체가 몇 개 존재하지만, 망원경이 생존자를 볼 수 있는 유일한 곳이다.

한쪽으로 치우친 폭발에서는 생존한 별이 ‘킥(kick)’을 받아 잔해의 중심에서 떠밀려 나간다. 제미니 이미지는 성운의 중심이 정확히 별이 있는 곳임을 보여준다. 연구진은 측면 킥에 대해 초속 약 100킬로미터라는 상한선을 설정했는데, 이는 별 자체의 바람에 비하면 극히 작은 수치이다.

“폭발은 운동량을 보존합니다. 폭발 자체가 완벽하게 대칭적이었다면, 분출물도 대칭적이어야 하며, 생존한 별은 상당한 킥을 받지 않아야 합니다.” 카이아초는 말했다. “우리는 사실상 별이 전혀 움직이지 않는 것을 보고 있습니다.”

매듭이 해결하지 못한 것

이미지는 매듭을 보여주지만, 무엇이 그것들을 만들었는지는 보여주지 않는다. 연구진은 별 주변 가스의 온도나 밀도 변동이 유출되는 잔해를 덩어리로 쪼개었을 수 있다고 제안하지만, 아직 어떤 모델도 이렇게 규칙적인 사슬을 재현하지 못했다. 카이아초 자신의 표현인 ‘눈에 띄게 균일하며 모델링을 기다리는 중’은 답보다는 열린 질문이다.

크기 측정 또한 작은 차이에 의존한다. 필라멘트는 대기의 흐릿함보다 약간 더 넓기 때문에, 매듭 직경은 개별 매듭의 깔끔한 측정이 아니라 부분적으로 분해된 프로파일로부터 추론된 것이다. 산소 이미지는 더 나쁜 조건에서 촬영되었으며, 너비가 약 1 arcseconds로 흐릿함 자체와 일치한다.

킥 제한은 하늘을 가로지르는 운동에만 적용된다. 이미지는 우리 쪽으로 다가오거나 멀어지는 움직임을 측정할 수 없다. 같은 그룹이 Keck Cosmic Web Imager로 수행한 이전 연구에서는 시선 방향을 따라 한쪽에 더 많은 잔해가 발견되었는데, 이는 비대칭 폭발을 암시할 수 있다고 연구진은 말했다. 거의 움직이지 않은 별과 이 사실을 조화시키는 것은 아직 끝나지 않은 작업의 일부이다. 역사적 초신성과의 연관성조차도 나이, 위치, 밝기가 일치한다는 점에 의존할 뿐, 직접적인 증거는 아니다.

손님별에서 Pa 30까지

NOIRLab에 따르면, 이 사건을 기록한 8개의 독립된 문헌이 있다. 관찰자들은 1181년 8월 4일에서 6일 사이에 처음으로 새로운 별을 발견했으며, 그것은 카시오페이아자리에서 185일 동안 눈에 띄었다. 수십 년 동안 천문학자들은 이 별을 3C 58이라는 잔해와 연결했지만, 그 천체의 추정 나이는 결코 편안하게 맞지 않았다.

Pa 30 자체는 2013년에야 발견되었는데, 아마추어 천문학자 데이나 패칵(Dana Patchick)이 NASA의 광역적외선탐사위성(Wide-field Infrared Survey Explorer) 적외선 데이터에서 시민과학 행성상성운 탐색 중 발견한 것이다. 그것은 그가 찾은 30번째 성운이었다. 2021년 안드레아스 리터(Andreas Ritter)가 이끄는 팀은 초속 약 1,100킬로미터의 충격파와 약 1,000년의 팽창 연령을 측정했으며, 하늘 위치는 중국과 일본의 기록과 3.5도 이내였다. 2024년, 커닝햄과 카이아초는 Keck Cosmic Web Imager를 사용하여 잔해가 거의 자유롭게 바깥으로 흘러가고 있음을 보여주었으며, 이는 성운이 1181년 사건에서 비롯되었다는 강력한 확인이라고 말했다.

“신뢰할 수 있는 역사적 항성 폭발 기록은 약 천 년 전까지만 거슬러 올라갑니다. 우리가 아는 한, 우리 은하 내 어두운 곳에 유사한 잔해가 아직 숨어 있을 수도 있습니다.” 커닝햄은 말했다.

Pa 30과 1181년 초신성에 대한 자주 묻는 질문

Pa 30이란 무엇인가?

Pa 30은 카시오페이아자리에 있는 성운으로, 지구로부터 약 7,500광년 떨어져 있으며, 매우 뜨거운 생존 별 주위에 방사형으로 뻗은 가스 필라멘트로 이루어져 있다. 중국, 일본, 아랍 기록이 1181년에 기록한 초신성의 잔해일 가능성이 높다.

오늘날 1181년 초신성을 볼 수 있는가?

육안으로는 볼 수 없다. 폭발은 약 6개월 후에 사라졌으며, 그 잔해인 Pa 30은 2013년 적외선 탐사 데이터에서야 확인될 정도로 희미하다. 그 필라멘트는 제미니 노스와 같은 대형 망원경의 깊은 이미지에서만 나타난다.

유형 Iax 초신성이란 무엇인가?

백색 왜성을 파괴하는 열핵 폭발의 더 약하고 불완전한 버전이다. 별을 완전히 산산조각내는 대신, 손상된 생존자(종종 좀비 별이라고 불림)를 남긴다. Pa 30은 우리 은하에서 알려진 유일한 이 유형의 잔해이다.

Pa 30의 매듭은 얼마나 큰가?

논문은 전형적인 매듭 직경을 약 10^16 센티미터, 대략 1,000억 킬로미터로 추정한다. 연구진에 따르면, 행성을 포함하는 우리 태양계의 영역이 각 매듭 안에 약 10배 정도 들어갈 수 있다.

다음 단계는 무엇인가

연구진은 이제 이렇게 규칙적인 매듭의 사슬이 어떻게 형성되었는지 모델링하기를 원한다. 또한 Pa 30의 독특한 특징을 템플릿으로 삼아 우리 은하와 인근 은하에서 유사한 잔해를 찾을 계획이다. “천문학은 빅데이터 시대에 접어들었습니다.” 커닝햄은 말했다. “우리의 발견은 방대한 데이터 세트를 선별하는 데 도움이 될 것입니다.” 이 연구는 2026년 10월 6일 《천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)》에 게재되었다.

참고문헌: Cunningham et al., “Detection of Knots in the Type Iax Supernova Remnant Pa 30,” The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae9cb2

태그: 천문학, Gemini North, NOIRLab, Pa 30, SN 1181, 백색왜성