R Aquarii는 백색왜성과 미라라는 변광성(적색거성)으로 구성되어 이원계를 이루는 것으로 추정되는 공생성이다. 출처 : X-선: NASA/CXC/SAO; 광학: NASA/STScI, 팔로마 천문대, DSS; 라디오: NSF/NRAO/VLA; H-알파: LCO/IMACS/MMTF. NASA.

백색왜성은 가장 흔한 별의 마지막 단계다. 태양처럼 핵융합 에너지를 모두 소진한 별이 죽으면 백색왜성이 된다. 이들은 천천히 식어가며, 그 과정을 통해 우주의 나이를 측정할 수 있는 "우주 시계" 역할을 한다. 현재까지 발견된 백색왜성들은 완전히 식지 않았기 때문에, 이들은 우리 은하의 나이를 추정하는 데 유용하다.

백색왜성은 태양 질량의 약 절반에 지구 크기 정도로 매우 밀도가 높은 천체이다. 따라서 우리 태양계에서 볼 수 없는 특이한 성질을 지닌다. 예를 들어, 백색왜성이 특정 질량을 넘으면 초신성 폭발을 일으키며, 이 폭발은 우주에서 가장 밝은 현상 중 하나로 우주의 가속 팽창을 검증하는 데도 사용된다.

하지만 백색왜성이 어떻게 질량을 증가시켜 폭발하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

이중성계에서 더 작고 무거운 백색왜성은 더 크고 가벼운 별로부터 물질을 끌어당기기 시작하며, 그 결과 궤도 거리가 점점 줄어들게 된다. 시간이 지나면서 백색왜성에 축적되는 물질의 양이 많아지면, 결국 초신성 폭발과 같은 열핵 폭발로 이어질 수 있다. 이미지 출처: NASA/CXC/M. Weiss

쌍성 연구: 왜 중요한가?

우리 은하에 있는 태양형 별의 상당수는 이중성계, 즉 두 개의 별로 이루어진 시스템이다. 그 중 약 25%는 두 별이 가까이 있어 질량 이동이 발생할 수 있다. 이는 질량이 더 큰 별이 적색거성으로 진화할 때 발생하며, 적색거성이 된 별은 동반성에게 물질을 전달하게 된다. 동반성은 전달된 물질을 흡수할 수 없기 때문에 시스템은 "공통외포층 단계"로 진입한다. 이 과정에서 적색거성의 핵과 동반성은 외포층 내에서 서로를 공전하게 되며, 외포층과 두 별 사이의 마찰로 인해 궤도가 급격히 축소된다. 이렇게 방출된 궤도 에너지는 외포층을 밖으로 내보내는 데 사용된다.

이러한 과정으로 인해 백색왜성과 태양형 별로 이루어진 이중성계, 그리고 블랙홀이나 중성자별을 포함한 더 이례적인 이중성계가 형성된다. 그러나 이 공통외포층 단계의 진화를 완벽하게 이해하지 못했고, 외포층을 내보내는 데 사용되는 궤도 에너지의 양도 아직 명확하지 않다.

나머지 75%의 이중성계는 질량 이동 없이 진화하며, 이들은 최종적으로 백색왜성이 된다. 이들의 궤도는 처음과 거의 같아, 공통외포층 단계를 거친 이중성계와는 궤도 주기가 다르다.

이 두 유형의 이중성계에서 백색왜성은 현대 천문학의 다양한 문제를 연구하는 데 중요한 도구가 된다. 예를 들어, 압축된 이중성계에서 궤도 주기와 별의 질량, 온도를 측정하면, 이들의 과거와 미래의 진화 과정을 추적할 수 있다. 이를 통해 이론적 모델과 관측된 데이터를 비교함으로써 공통외포층 단계를 더 잘 이해할 수 있고, 초신성 폭발의 잠재적 전구체도 파악할 수 있다.

질량 이동이 일어나지 않은 이중성계에서는 백색왜성이 "우주 시계" 역할을 하여 동반성의 나이를 추정할 수 있다. 이를 통해 은하의 나이와 금속 함량의 관계, 태양형 별의 물리적·자기적 성질을 연구할 수 있다.

하지만 현재 백색왜성을 포함한 이중성계의 스펙트럼 관측 데이터는 수천 개에 불과하다. 다가오는 연구에서 칠레의 4MOST 망원경을 사용하여 약 77,000개의 이중성계를 관측할 예정이다. 2024년부터 시작되는 이 관측을 통해 다양한 천문학적 문제에 대한 이해를 한층 더 심화시킬 것으로 기대하고 있다.

[출처] ¿Qué nos revela el estudio de las enanas blancas acerca de nuestra galaxia? (theconversation.com)

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

알베르토 레바사 만세르가스(Alberto Rebassa Mansergas)는 카탈루냐 정치대학의 라몬 이 카잘 연구원, 전 중국 페킨 대학교 천문학 및 천체물리학 카비 연구소의 박사후 연구원, 칠레 발파라이소 대학교에서 박사후 연구원으로 근무했다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.