By THOMAS LEWTON, WIRED US

1987년, 거대한 별이 우리 은하수 바로 옆에서 폭발했다. 그것은 약 4세기 전 망원경이 발명된 이래 가장 밝고 가장 가까운 초신성이었고, 거의 모든 천문대가 그것을 보기 위해 방향을 틀었다. 가장 흥미롭게도, 지하 깊은 곳에 묻힌 전문 천문대는 폭발에서 흘러나오는 중성미자라고 불리는 수줍은 아원자 입자들을 포착했을 것이다.

이 입자들은 1966년 초신성의 원동력으로 처음 제안되었고, 이 초신성의 발견은 폭발의 내적 작용을 이해하려고 노력해온 이론가들에게 위안의 원천이 되었다. 그러나 수십 년 동안 천체 물리학자들은 중성미자 동력 모델의 치명적인 결함과 끊임없이 부딪쳤다.

중성미자는 초연한 입자로 유명하며, 중성미자가 붕괴하는 별의 극한 조건 하에서 어떻게 그들의 에너지를 별의 보통 물질로 전달하느냐에 대해서는 여전히 의문점이 남아 있다. 이론가들이 컴퓨터 시뮬레이션에서 이러한 복잡한 입자 움직임과 상호작용을 모형화하려고 할 때마다, 초신성의 충격파는 멈춰서서 다시 자신에게 되돌아오곤 했다. 미시간 주립대학의 컴퓨터 천체물리학자 션 카우치(Sean Couch)는 "이번 실패는 초신성이 어떻게 폭발하는지에 대한 우리의 선도적인 이론이 작용하지 않는다는 생각을 확고히 했다"고 말했다.

물론, 초신성이 폭발할 때, 초신성 내부에서 일어나는 일의 구체적인 내용은 항상 신비로운 것이었다. 그것은 우리의 일상 세계에서 종종 무시되는 입자와 힘이 중요해지는 극단의 가마솥이자 물질 전달의 격동적인 수프이다. 문제를 복잡하게 만들어서 폭발성 내부는 대부분 뜨거운 가스 구름에 가려져 보이지 않는다. 35년 이상 초신성을 연구해 온 프린스턴 대학의 천체물리학자인 아담 버로우스(Adam Burrows) 박사는 "초신성의 세부 사항을 이해하는 것은 천체물리학에서 핵심적인 미해결 문제였다"고 말했다.

그러나 최근 몇 년 동안 이론가들은 초신성을 진드기로 만드는 놀랍도록 복잡한 메커니즘에 익숙해질 수 있었다. 버로우스는 이번 달 네이처(Nature)에서 "폭발하는 시뮬레이션은 예외라기보다는 표준이 되었다"고 했다. 경쟁 연구 그룹들의 컴퓨터 코드는 이제 초신성 충격파가 어떻게 진화하는지 동의하는 반면, 시뮬레이션은 지금까지 발전하여 아인슈타인의 복잡한 일반 상대성 이론의 영향까지 포함하고 있다. 중성미자의 역할은 마침내 이해되고 있다.

"지금은 분수령이다."라고 카우치가 말한다. 그들은 난기류가 없다면, 붕괴하는 별들은 전혀 초신성을 형성하지 못할 수도 있다는 것을 발견했다.
 

무질서한 춤

별의 일생 동안, 중력의 안쪽 당김은 별의 중심핵 안에서 핵 반응으로부터 나오는 방사선을 바깥으로 밀어내는 것에 의해 섬세하게 균형을 이룬다. 별의 연료가 떨어지면서 중력이 지탱된다. 핵은 그 자체로 붕괴되는데, 즉 시속 15만 킬로미터의 속도로 분출되어 온도가 섭씨 1000억도까지 치솟고 핵을 고체 중성자 덩어리로 융합시킨다.

항성의 바깥 층은 계속해서 안쪽으로 떨어지지만, 그들이 이 압축할 수 없는 중성자 중심핵에 부딪히면서, 그들은 충격파를 일으키며 그것을 튕겨 나간다. 충격파가 폭발하기 위해서는 별의 중력을 피해 나갈 수 있는 충분한 에너지를 가지고 바깥쪽으로 몰려야 한다. 충격파는 또한 여전히 중심부로 떨어지고 있는 별의 가장 바깥쪽 층의 안쪽 나선형과 싸워야 한다.

최근까지 충격파를 일으키는 힘은 가장 애매한 용어로만 이해되었다. 수십 년 동안 컴퓨터는 붕괴하는 코어의 단순화된 모델을 실행할 수 있을 정도로 강력했다. 충격파가 중앙에서 모든 방향에서 같은 방식으로 뿜어져 나오는 등 별들은 완벽한 구체로 취급받았다. 그러나 이 1차원 모델에서 충격파가 바깥쪽으로 이동하면서 속도가 느려지고 흔들린다.

지난 몇 년 동안, 슈퍼컴퓨터의 성장과 함께, 이론가들은 폭발을 달성하는 데 필요한 복잡성으로 거대한 별들을 모델링하기에 충분한 계산 능력을 가지고 있었다. 이제 최고의 모델은 중성미자와 물질 사이의 미세 수준 상호 작용, 유체의 무질서한 움직임, 그리고 핵 물리학에서 항성 진화에 이르는 많은 다양한 물리학 분야의 최근 발전과 같은 세부 사항을 통합한다.

더욱이, 이론가들은 이제 매년 많은 시뮬레이션을 실행할 수 있어 자유롭게 모델을 조정하고 다른 시작 조건을 시도할 수 있다.

2015년 카우치와 그의 협력자들이 거대한 별의 붕괴 마지막 순간에 대한 3차원 컴퓨터 모델을 운영하면서 하나의 전환점이 왔다. 비록 그 시뮬레이션이 그 스타의 생애의 160초만을 계획했지만, 그것은 정지된 충격파가 완전한 폭발로 변하는 것을 돕는 과소평가된 플레이어의 역할을 조명했다.

짐승의 배 안에 숨겨진 입자들은 뒤틀리고 혼란스럽게 변한다. "난로에 물을 끓이는 것 같다. 초속 수천 킬로미터의 속도로 흐르는 거대한 유체의 뒤집힘 현상이 이 별 안에서 일어나고 있다."라고 카우치가 전했다.

이 난류는 충격파 뒤에 추가 압력을 발생시켜 별의 중심에서 더 멀리 밀어낸다. 중심에서 벗어나면 중력의 내부 당김이 약해지고 충격파를 완화시킬 수 있는 내부 낙하 물질이 적고 충격파 뒤에서 튕겨나오는 난류물질은 중성미자를 흡수할 수 있는 시간이 더 많다. 그런 다음 중성미자의 에너지는 물질을 가열하고 충격파를 폭발로 몰고 간다.

수년 동안, 연구원들은 난류의 중요성을 깨닫지 못했는데, 난류는 3차원으로 운영되는 시뮬레이션에서만 완전한 영향을 나타내기 때문이다. 버로우스는 "자연은 쉽게 할 수 있는 일을 해냈다"며 "1차원에서 2차원과 3차원으로 올라오면서 우리가 성취하는 데 수십 년이 걸렸다"고 말했다.

이러한 시뮬레이션은 또한 난기류가 이 별이 모래시계처럼 보이는 비대칭 폭발을 일으킨다는 것을 보여주었다. 폭발이 한 방향으로 밀려나면서 물질은 계속해서 다른 방향으로 핵으로 떨어져 별의 폭발을 더욱 부채질한다.

이러한 새로운 시뮬레이션은 연구자들에게 초신성이 오늘날 우리가 보는 우주를 어떻게 형성했는지를 더 잘 이해시켜 주고 있다. "우리는 정확한 폭발 에너지 범위를 얻을 수 있고, 남겨진 중성자 별 덩어리를 얻을 수 있다." 버로우스가 말했다. 초신성들은 주로 산소와 철과 같은 무거운 원소들로 이루어진 우주의 예산을 만드는 데 큰 역할을 하고 있고, 이론가들은 이러한 무거운 원소들의 정확한 양을 예측하기 위해 시뮬레이션을 사용하기 시작했다. 오하이오 주립대학의 이론적이고 계산적인 천체물리학자 투굴두르 수크볼드(Tuguldur Sukhbold)는 "과거에는 상상할 수 없었던 문제들을 해결하기 시작했다"고 말했다.


다음 폭발

계산 능력이 기하급수적으로 증가했음에도 불구하고, 초신성 시뮬레이션은 하늘에서 관측하는 것보다 훨씬 드물다. "20년 전에는 매년 약 100개의 초신성이 발견되었다." 라고 하버드 대학의 천문학자 이두 버거(Edo Berger)가 말했다. "이제 우리는 매년 10,000개 내지 20,000개를 발견하고 있다." 밤하늘을 빠르고 반복적으로 스캔하는 새로운 망원경에 의해 상승하고 있다. 이와는 대조적으로, 1년 동안 이론가들은 약 30개의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한다. 단 몇 분간의 코어 붕괴를 재현하는 단일 시뮬레이션은 수개월이 걸릴 수 있다. "매일 체크인하면 1밀리초밖에 남지 않는다."라고 카우치가 전했다. "겨울에 당밀을 보는 것 같다."

새로운 시뮬레이션의 광범위한 정확성은 천체물리학자들로 하여금 다음 가까운 폭발에 흥분하게 했다. "우리 은하에서 다음 초신성을 기다리는 동안 우리는 할 일이 많다. 우리는 우리가 탐지할 수 있는 특징들을 이해하기 위해 이론적 모델링을 개선할 필요가 있다." 라고 코펜하겐 대학의 이론 천체물리학자인 아이린 템보라(Irene Tamborra)가 말했다. "기회를 놓치면 안 된다. 왜냐하면 그것은 매우 드문 일이기 때문이다.

대부분의 초신성들은 관측소가 중성미자를 검출하기에는 지구에서 너무 멀리 떨어져 있다. 1987년 초신성A과 같은 은하수 바로 근처에 있는 초신성은 평균 반세기에 한 번 정도만 발생한다.

하지만 만약 어떤 일이 일어난다면, 천문학자들은 중력파를 관측함으로써 "폭발의 중심부를 직접 들여다볼 수 있을 것"이라고 버거 교수는 말했다. "다른 그룹들은 별의 실제 폭발에서 다른 과정들이 중요하다고 강조했다. 그리고 이 다른 과정들은 서로 다른 중력파와 중성미자 신호를 가지고 있다."

이론가들은 이제 초신성을 이끄는 가장 중요한 요소들에 대해 폭넓게 의견 일치를 보았지만, 난제는 여전히 남아 있다. 특히 폭발의 결과는 별의 핵이 붕괴되기 전 구조에 의해 "매우 강하게 지시된다"고 수크볼드는 말했다. 작은 차이는 혼란스러운 붕괴에 의해 다양한 결과로 확대되며, 따라서 별이 붕괴하기 전의 진화 또한 정확하게 모델링되어야 한다.

다른 질문들은 회전하는 별의 중심에서 강렬한 자기장의 역할을 포함한다. "자기장과 중성미자의 혼합 메커니즘을 가질 수 있다." 버로우가 말했다. 중성미자가 한 유형(또는 "맛")에서 다른 유형으로 변하는 방식과 이것이 폭발에 어떻게 영향을 미치는지도 불분명하다.

"아직도 우리의 시뮬레이션에 추가되어야 할 많은 재료들이 있다."라고 탐보라는 말했다. "만약 초신성이 내일 폭발할 예정이고 우리의 이론적인 예측과 일치한다면, 그것은 우리가 현재 놓치고 있는 모든 성분들이 안전하게 방치될 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 그렇지 않다면 그 이유를 알아야 한다."

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 배효린 에디터)

<기사원문>
The secret ingredient that powers supernovas