무거운 원소 생성의 '미스터리', 중력파 관측으로 풀리나 했는데…

중력파로 관측한 중성자별 충돌…"무거운 원소 충분히 못 만들어" 주기율표로 본 지금까지 파악된 우주 내 자연 원소의 근원, 검은색은 빅뱅, 주황생은 백색왜성 폭발, 초록색 저 질량 항성 유래, 파란색은 고질량 행성의 폭발(Content: Chiaki Kobayashi et al Artwork: Sahm Keily제공) 2020.09.16 /뉴스1
(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 중력파 관측으로 풀릴 줄 알았던 무거운 원소 생성의 미스터리가 풀리지 않았다는 연구 결과가 발표됐다. 아직 인류가 제대로 발견하지 못한 우주의 '무언가'가 있다는 뜻이다.

국제 연구진이 현재의 중성자별 충돌 모델로는 우주에 존재하는 금과 은의 양을 설명할 수 없다는 연구 결과를 학술지 '천체물리학'(Astrophysical Journal)에 발표했다.

현대 과학에서는 우주의 역사를 빅뱅 이후, 기본 입자들이 에너지와 분리되고, 입자들이 뭉쳐 별이 된다는 데서 시작한다. 별이 된 입자들은 별 안에서 핵융합을 통해 점점 더 무거운 원소로 변해간다. 가벼운 원소들을 합쳐져 무거운 원소로 바뀌는 것이다. 예를 들어 태양은 수소 여러 개를 헬륨으로 바꿔내고 있다. 태양보다 규모가 큰 별은 더 무거운 원소들을 합성할 수 있다.

별의 핵융합은 '철'(Fe)과 그보다 가벼운 원소 생성에 대해서 잘 설명한다. 문제는 철보다 무거운 금, 은, 우라늄 같은 원소가 만들어지는 과정은 별의 핵융합으로 설명할 수 없다는 것이다.

기존 학설에서는 중성자별이나 일부 초신성 현상을 통해 무거운 원소의 기원을 설명했다. 중성자별은 무거운 별이 수명을 다하고 에너지가 급격하게 방출되는 '초신성' 폭발 후 별의 잔해가 극단적으로 압축돼 만들어진다. 중성자별은 지름이 커야 30㎞ 정도지만, 질량은 태양보다 클 정도로 밀도가 높다.

중성자별은 철보다 무거운 원소의 기원으로 여겨졌다. 강력한 중력에 의해 양성자(+)와 전자(-)가 중성자로 융합돼 중성자가 풍부하기 때문이다.

2016년 이후 중력파 관측이 가능해지며, 2017년에는 두 개의 중성자별이 충돌하는 순간이 관측됐다. 이후 후속 연구를 통해 중성자별 충돌로 뿌려진 중성자로 철보다 무거운 원소들이 생성되는 게 관측됐다.

이번 연구에서는 중성자별의 충돌로 만들어지는 '금'이 현재 우주에 퍼졌다고 추정된 금의 양에 못 미친다는 분석이 나왔다. 중성자별 충돌이 자주 일어난다는 가정을 하더라도 현재 우주에 퍼져있는 금의 양을 설명하기에는 부족하다는 게 연구진의 설명이다.

이들은 탄소에서 우라늄에 이르는 자연 발생 원소의 기원을 검토하며 우주의 진화과정을 살폈다.

많은 원소들이 한가지 방식으로만 생기지 않고 다양한 방식으로 생긴다. 예를 들어 탄소는 비교적 질량이 작은 별에서도 만들어지지만, 초신성에서도 나온다.

연구진은 모든 원소에 대해서 생성량을 분석하고 종합한 결과 최근 '중성자별 충돌'로 설명일 안되는 게 있다는 결론에 다다랐다.

현재 중성자별의 충돌로 인한 '무거운 원소' 생성효과가 과대 평가됐을 수 있으며, 무거운 원소를 만드는 또 다른 우주적 과정이 있을 가능성을 제시했다.

특이한 초신성의 존재다. 빠르게 회전하면서 강한 자기장을 생성하는 초신성이 있을 경우, '중성자별 충돌'로는 설명되지 않는 원소들의 부족한 생산량을 설명할 수 있다는 것이다.

다만 연구진은 앞으로 중성자별의 충돌이 훨씬 자주 일어난다는 추가 증거가 관측될 가능성도 여전히 있다고 여지를 열어뒀다.

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