쌍성 태양계인 '에타 카리나이'도 그중 하나다. 우리 은하에서 가장 크고 밝은 별을 포함하고 있고, 질량은 태양의 최소 90배가 넘는다. 폭발성이 매우 강하고, 미래에 최소한 한번 이상의 초신성 폭발이 예상된다.
NASA(미항공우주국)의 찬드라 X선 관측소가 15년전 처음 천체관측을 시작한 이후 가장 먼저 관찰된 것 가운데 하나이며 지금도 이 쌍성 태양계는 X선 방출을 통해 새로운 정보들을 계속 제공하고 있다.
NASA에 따르면 이 태양계는 19세기에 강력한 폭발로 20년간 하늘의 수많은 별 가운데 가장 밝게 빛난 때가 있었으며 천문학자들의 기록으로도 남아 있다. 이 폭발은 '거대 폭발(Great Eruption)'로 이름 붙여졌으며, 현대의 첨단 관측 장비를 동원해 계산한 결과 당시 에타 카리나이가 폭발로 외부에 방출한 질량은 무려 태양 질량의 10배에 이른 것으로 분석됐다.
놀랍게도 이 별은 당시 엄청난 양의 물질을 방출했음에도 불구하고 지금까지 건재하다. 오늘날 천문학자들은 에타 카리나이에 있는 두 개의 별에 대해 더 많은 연구노력을 기울이고 있다.
두 개의 별 가운데 질량이 더 높은 주성은 시간 당 수백만 km의 속도로 표면에서 뿜어져 나가는 바람 폭풍으로 인해 동반성에 비해 질량을 더 빨리 잃게 된다. 지금도 거대 폭발 당시만큼은 아니지만 천년 동안 우리 태양 무게에 해당하는 질량을 잃고 있다.
상대적으로 크기가 작은 동반성도 우리 태양 질량의 약 30배에 이르는 질량을 갖고 있다. 이 별은 주성에 비해 질량을 잃는 비율이 100배 정도 낮지만 다른 별에 비하면 여전히 엄청난 규모의 질량 상실이다.
두 별에서 나오는 빠르고 강력한 바람은 서로 충돌하며 두 별 사이의 가스를 때리게 되면서 '바우 쇼크(bow shock: 태양풍의 흐름을 방해하는 자기권의 앞부분에서 발생하는 충격파)' 현상을 일으킨다. 이때 가스의 온도는 약 1천만도까지 오르면서 NASA의 X선 우주망원경 찬드라가 현재 수신하고 있는 X선을 방출하게 된다.
찬드라는 에타 카리나이에서 나오는 X선 가운데 낮은 에너지는 붉은색, 중간에너지는 초록색, 높은 에너지는 푸른색으로 표현해 이미지를 만든다. 방출은 대부분 에너지가 높거나 낮은 붉은색 또는 푸른색으로 나온다. 푸른색의 강력한 X선은 바람의 충돌에 의해 만들어지고, 확산된 형태의 푸른색 방출은 거대 폭발 당시 방출된 물질이 이들 X선을 반사하면서 만들어진 것이다.
태양계의 바깥쪽에서 관측되는 낮은 에너지의 X선은 두 별에서 나오는 바람이나 거대 방출 때 나온 물질이 주변 물질과 부딪히는 곳에서 발생한다. 이 주변 물질은 거대 방출 전에 분출된 가스로 이뤄진 것으로 추정된다.
에타 카리나이와 관련해 흥미로운 점은 두 개의 별이 길쭉한 타원을 그리며 5년6개월을 주기로 서로를 공전하고 있다는 점이다. 두 개의 별이 각각의 달걀 모양 공전궤도의 어디에 위치하느냐에 따라 두 별 사이의 거리는 변한다. 이 달걀모양의 두 곡선은 천문학자들에게 두 별에서 나오는 바람이 두 별로부터 서로 다른 거리에서 부딪힐 때 어떤 일이 발생하는지 연구할 수 있는 기회를 제공한다.
쌍성의 공전궤도 전 과정에 걸쳐 바람이 서로 정면으로 부딪히는 향점(apex) 지역에서 X선의 에너지가 강했다. 반면 궤도상에서 두 별이 가장 가까이 위치하는 근성점(periastron:쌍성계에서 주성과 동반성간의 거리가 가장 짧아지는 지점)에서 X선 방출은 돌연 감소했다.
이 감소현상을 이해하기 위해 천문학자들은 찬드라 망원경을 이용해 2009년 근성점에서의 에타 카리나이를 관찰했다. 그 결과 에타 카리나이에서 바람의 충돌에 의해 방출되는 X선의 보다 자세한 사진을 처음으로 얻을 수 있었다. 사진을 분석한 결과 근성점에서 X선 에너지의 감소를 설명할 수 있는 몇 가지 단서를 찾았다.
한 가지 가능성은 향점에서 나오는 X선이 질량이 더 높은 주성에서 나오는 밀도 높은 바람이나 주성 그 자체의 표면에 의해 차단되기 때문일 가능성이 있다는 점이다.
또 다른 가능성으로 천문학자들은 근성점 근처에서 밀도의 증가로 인한 가스의 급속한 냉각, 또는 거대질량 별에서 나오는 증가된 자외선 방출로 인해 동반성으로부터 나오는 바람의 강도가 약해져 충격파가 근성점 근처에서 일시 중단될 수 있다는 것이다.
연구원들은 이달 중 다시 있을 찬드라의 근성점 촬영을 통해 보다 정확한 답을 찾을 수 있길 기대하고 있다.
이 연구 결과는 지난 4월1일 학술잡지 천체물리학에 실렸으며 NASA는 26일 홈페이지에 그 주요 내용을 요약 게제했다. 논문의 제1저자는 NASA의 고다드 우주비행센터 켄지 하마구치이다.