안드로메다 은하에서 포착된 '실패한 초신성', 블랙홀 생성

천문학자들이 최근 이웃한 안드로메다 은하에서 거대 질량 별인 M31-2014-DS1이 초신성 특유의 광휘 없이 사라지는 것을 관측한 후, 블랙홀의 조용한 탄생을 기록했다. 흔히 "실패한 초신성(failed supernova)"이라 불리는 이 희귀한 천문 현상은 중심핵이 특이점(singularity)으로 직접 붕괴하는 항성의 죽음에 대한 결정적인 관측 증거를 제공한다. 약 20년 치의 아카이브 데이터를 분석함으로써, 연구진은 모든 거대 질량 별이 격렬한 폭발로 생을 마감하는 것은 아니며, 일부는 단순히 존재 자체가 점멸하듯 사라질 수 있음을 시사하는 타임라인을 재구성했다.

실패한 초신성이란 무엇인가?

실패한 초신성은 거대 질량 별이 핵 붕괴를 겪지만 밝은 폭발을 일으키지 못하고, 대신 별의 외층이 안으로 무너지면서 직접 블랙홀을 형성하는 희귀한 항성 사건이다. 전형적인 II형 초신성과 달리, 내부 충격파가 항성 물질을 방출하기에 불충분하여 별이 가시광선 영역에서 서서히 희미해지며 조용히 사라지게 된다.

항성 진화 모델은 오래전부터 거대 질량 별의 상당 부분(아마도 20%에서 30%에 달하는)이 이와 같은 방식으로 생을 마감할 수 있다고 예측해 왔다. 일반적인 초신성에서는 중심핵의 붕괴가 반동 충격파를 유발하여 별의 외층을 우주 공간으로 날려 보내고, 은하보다 더 밝게 빛나는 섬광을 만들어낸다. 그러나 실패한 초신성에서는 형성되는 블랙홀의 중력이 너무나 강력하여 밖으로 향하는 압력을 압도하고, 별 질량의 대부분을 삼켜버리며 희미한 적외선 흔적만을 남긴다.

천문학자들은 안드로메다에서 조용한 블랙홀 형성을 어떻게 발견했는가?

천문학자들은 안드로메다 은하의 거대 질량 별 M31-2014-DS1을 관측하여 조용한 블랙홀 형성을 발견했다. 이 별은 처음에 밝게 빛났으나 2016년부터 2019년 사이 급격히 어두워졌고 2023년에는 완전히 사라졌다. NASA의 NEOWISE 미션과 지상 관측소의 20년 가까운 아카이브 데이터를 활용하여, 연구진은 이 별이 빛나는 광원에서 보이지 않는 점으로 변하는 독특한 과정을 추적했다.

2026년 2월 16일 학술지 Science에 연구 결과를 발표한 연구팀은 Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE)에 크게 의존했다. 이 적외선 아카이브 덕분에 연구팀은 250만 광년 떨어진 안드로메다 은하의 먼지를 뚫고 관측할 수 있었으며, 2014년에 발생한 특정 증광 현상을 기록했다. 이 적외선 급증은 별의 중심핵에서 핵연료가 고갈되기 직전 별이 가장 바깥층을 방출하고 있었음을 나타내며, 이는 실시간으로 포착하기 어려운 귀중한 "전후" 기록이다.

• 2005–2014: 이 별은 거대 변광성으로서 안정적이고 높은 광도를 유지했다.
• 2014: 적외선 밝기의 갑작스러운 증가는 두꺼운 가스층의 방출을 의미했다.
• 2016–2023: 가시광선이 10분의 1 수준으로 급감하여 기존 망원경으로는 별을 볼 수 없게 되었다.
• 2023년 말: 붕괴 지점을 둘러싼 가열된 먼지로부터 희미한 적외선 잔광만이 남았다.

M31-2014-DS1에서 블랙홀이 형성되었다는 증거는 무엇인가?

M31-2014-DS1로부터 블랙홀이 형성되었다는 증거는 광학적 폭발 없이 원래 밝기의 아주 미미한 수준까지 지속적으로 희미해진 점을 포함하며, 이는 질량의 대부분이 안으로 붕괴한 핵 붕괴를 의미한다. 새로 형성된 특이점 주위를 공전하는 먼지에 가려진 고온 가스에서 나오는 희미한 적외선 잔광은 별의 중심핵이 밀집 천체가 되었다는 결론을 뒷받침한다.

전통적인 초신성 "빛의 메아리(light echo)"가 없다는 점은 폭발 실패를 보여주는 가장 강력한 지표다. M31-2014-DS1과 같은 별이 붕괴할 때 방출되는 중력 에너지는 보통 거대한 폭발의 동력이 된다. 그러나 이 사례에서는 물질이 별 자체의 중력에 의해 다시 안으로 떨어졌다. NASA’s Astrophysics Data Analysis Program의 지원을 받은 연구에 따르면, 결과로 생성된 천체는 약 6.5 태양 질량의 블랙홀로 추정된다. 이는 내부 에너지 공급이 고갈되어 별의 무게를 지탱할 수 없게 되어 중심핵이 직접 붕괴하는 "조용한" 죽음의 이론적 모델과 일치한다.

적외선 천문학은 뒤에 남겨진 고온 가스와 먼지의 "베일"을 감지할 수 있었기 때문에 이번 발견에 필수적이었다. 별은 가시광선 스펙트럼에서 사라졌지만, NEOWISE 데이터는 파편 구름이 여전히 내부에서 가열되고 있음을 보여주었다. 이 열은 별의 표면은 사라졌지만, 거대한 밀도의 천체가 중심에 남아 강한 중력을 통해 주변 물질과 계속 상호작용하고 있음을 시사한다.

은하 진화 및 향후 연구에 미치는 영향

M31-2014-DS1의 발견은 이러한 별들의 "조용한" 종말이 우리가 속한 국부 우주에서 이전에 인식했던 것보다 더 흔할 수 있음을 시사한다. 거대 질량 별의 상당 부분이 초신성 단계를 건너뛴다면, 왜 천문학자들이 이론적인 거대 질량 별 탄생률보다 더 적은 수의 초신성 폭발을 발견하는지를 설명할 수 있다. 이 "누락된" 초신성 인구는 예상되는 불꽃놀이 없이 단순히 블랙홀로 붕괴하는 별들로 설명될 수 있다.

향후 이 연구의 성공은 장기 하늘 조사(long-term sky surveys)와 선별된 데이터 아카이브의 엄청난 가치를 강조한다. Vera C. Rubin Observatory와 같은 새로운 시설이 가동됨에 따라, 천문학자들은 더 많은 실패한 초신성 후보를 식별할 수 있을 것으로 기대한다. 이러한 사건들에 대한 더 완전한 조사를 구축함으로써, 과학자들은 블랙홀의 질량 분포와 우주에서 가장 거대한 천체들의 복잡한 생애 주기를 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 현재로서는 안드로메다의 사라진 별이 폭발에는 실패했지만 성공적으로 블랙홀로 변모한 가장 명확한 관측 사례 중 하나로 남아 있다.