초기 질량 태양의 1.5배 이상 돼야 탄소 공급 '기여'

▲ 지구에서 약 8천광년 떨어진 카시오페이아자리의 산개성단 NGC 7789. '캐롤라인 장미'로도 알려진 이 산개성단의 백색왜성은 예상치를 뛰어넘는 질량을 가진 것으로 나타났다. [Guillaume Seigneuret and NASA 제공]

백색왜성이 우주 생명체의 필수 요소인 탄소(C)의 주요 원천으로, 조상 별의 질량이 태양의 1.5배 이상 돼야 이런 '기여'가 가능하다는 연구 결과가 나왔다.

우주의 모든 탄소 원자는 별 내부에서 헬륨 핵 3개가 융합해 만들어지지만, 그 원천이 표면층 물질을 항성풍으로 날려버리고 백색왜성이 되는 낮은 질량의 별인지 아니면 초신성으로 폭발하는 큰 질량을 가진 별인지를 놓고는 갑론을박이 이어져 왔다.

미국 샌타크루즈 캘리포니아대학에 따르면 이 대학 천문·천체물리학과 엔리코 라미레즈-루이즈 교수 등이 참여한 국제 연구팀은 형성 초기에 일정 질량 이상을 가진 별이 백색왜성으로 스러지면서 생명체의 씨앗인 탄소를 우주에 공급한다는 연구 결과를 과학 저널 '네이처 천문학'(Nature Astronomy) 최신호에 발표했다.

연구팀은 우리 은하 내 같은 대형 분자 구름에서 비슷한 시기에 형성돼 중력으로 묶여있는 수천개의 별들로 구성된 '산개성단'(open star cluster)의 백색왜성을 분석대상으로 삼았다. 백색왜성은 모든 별의 약 90%가 항성 진화 마지막 단계에서 맞게 되는 형태로, 표면층 물질을 행성상 성운으로 방출하고 남은 물질이 지구 크기로 축퇴돼 천천히 식다가 암체가 된다.

연구팀은 지구에서 약 8천광년 떨어진 카시오페이아자리의 산개성단인 'NGC 7799'의 백색왜성을 하와이 마우나케아산 정상의 W.M.켁 천문대 관측 자료로 분석했다.

연구팀은 이 백색왜성들의 질량을 측정하고 항성진화 이론을 토대로 이 별이 처음 형성됐을 때의 질량을 구해 비교했다.

그 결과, 이론과 관측으로 뒷받침된 별의 '시종(始終) 질량 관계'에서 예측된 범위를 벗어나는 질량이 훨씬 큰 백색왜성들이 확인됐다.

우리은하에서는 약 10억년이 된 별이 태양의 0.6~0.65에 달하는 질량이 큰 백색왜성을 만들지 않는 것으로 연구돼 왔는데 NGC 7799의 백색왜성은 질량이 태양의 0.7~0.75에 달했다고 한다.

연구팀은 별이 내부에서 새로운 탄소 원자를 합성해 표면층으로 보내면 항성풍을 통해 성간 매질로 확산하게 된다면서 탄소가 풍부한 표면층 물질이 아주 서서히 날아가 나중에 백색왜성이 될 핵의 질량이 눈에 띄게 늘어났을 것으로 분석했다.

시종 질량 관계에서 벗어나는 백색왜성의 큰 질량이 별의 탄소 합성을 나타내는 증거라는 것이다.

연구팀은 별의 질량이 두 배 이상일 때 우주의 탄소 공급에 기여하지만 1.5배 미만일 때는 그렇지 못한 것으로 분석했다.

이는 지구 생명체 출현에 필수적인 탄소가 우리 은하의 별에 의해 언제, 어떻게 형성돼 약 46억년 전 태양계를 형성하는 물질에 포함됐는지에 대한 범위를 좁혀주는 결과로 평가됐다.

논문 제1저자인 이탈리아 파도바대학의 파올라 마리고 교수는 "이제 탄소가 초기 질량이 태양의 약 1.5배를 넘는 별에서 나온다는 것을 알게 됐다"고 설명했다.