과학자들이 백색왜성(오른쪽 위) 2만 6000개를 분석해 백색왜성의 새로운 특징을 밝혀내고 이를 이용해 암흑 물질을 발견할 수 있는 방법을 찾았다. 미국 매사추세츠공과대(MIT) 제공

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한국인이 사랑하는 시인 윤동주의 ‘서시’에는 “모든 죽어 가는 것을 사랑해야지”라는 문장이 나온다. 과학자들은 죽어 가는 별들을 분석해 극한 중력의 영향과 암흑 물질을 발견하는 데서 한발 더 나아갔다.

미국 존스홉킨스대, 하버드·스미스소니언 천체물리학 연구센터, 보스턴대, 피츠버그대, 이탈리아 트리에스테대, 영국 워릭대 공동 연구팀은 백색왜성 약 2만 6000개를 분석해 질량이 같더라도 표면 온도에 따라 백색왜성 크기가 다르다는 사실을 발견했다. 이 연구 결과는 천문학 분야 국제 학술지 ‘천체물리학 저널’ 12월 19일자에 실렸다.

‘태양의 먼 미래’로 불리는 백색왜성은 질량은 태양 정도, 크기는 지구 정도로 밀도가 매우 높은 항성(별)이다. 핵융합이 끝나 에너지를 생성할 수 없기 때문에 점점 식어 가고 열 압력이 약해지면서 중력 수축이 진행된다. 이 때문에 크기가 원래 100분의1 정도에 불과하다. 태양과 같은 보통 별이 지름 20㎝의 농구공이라면 그 속에 있는 물질들이 지름 2㎜ 정도의 과일 씨로 압축된 천체가 백색왜성이다. 밀도가 높기 때문에 중력은 지구보다 수백 배 더 강하다.

연구팀은 우주 거대 구조를 실측하는 세계 최대 규모의 천문 관측 프로젝트 ‘슬론 디지털 스카이 서베이’와 우리 은하의 3차원 별 지도 작성을 위한 유럽우주국(ESA)의 가이아 프로젝트 데이터를 활용했다. 연구팀은 지구를 기준으로 백색왜성의 움직임에 따른 광파를 측정하고 이를 중력과 크기에 따라 분류해 온도가 부피에 미치는 영향을 분석했다. 연구팀은 백색왜성의 적색편이 현상에 주목했다. 적색편이는 도플러 효과로 인해 천체에서 배출되는 빛이 멀어질수록 에너지를 잃고 점차 붉은 빛을 띠는 현상이다. 이는 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 예측한 대로 극한 중력으로 인한 시공간 뒤틀림의 결과이기도 하다. 적색편이가 강할수록 백색왜성의 크기는 작고 표면 온도는 낮으며 지구에서 더 멀리 떨어져 있다는 의미다.

분석 결과 태양과 같은 별은 핵융합이 끝난 뒤에도 밀도 높은 핵을 안정적으로 유지하는 양자역학적 과정인 ‘전자 퇴화 압력’으로 인해 별의 질량이 증가함에 따라 수축하는 것으로 파악됐다. 또 질량이 같은 백색왜성이라도 온도가 높을수록 부피가 더 큰 것으로 나타났다. 이번 연구는 암흑 물질을 발견하는 데도 도움이 될 것으로 전망된다. 암흑 물질은 중력은 있지만 빛이나 에너지를 방출하지 않기 때문에 망원경으로 관측할 수 없다. 태양이 지구 궤도에 영향을 미치는 것처럼 중력은 별, 은하, 기타 천체에 영향을 주기 때문에 백색왜성을 관측해 간섭 패턴을 분석함으로써 암흑 물질의 존재를 간접적으로 밝혀 낼 수 있다.

그런가 하면 미국 캘리포니아 산타크루즈대(UCSC), 독일 막스 플랑크 태양계 연구소, 프랑스 소르본대와 코트다쥐르대 공동 연구팀은 달 암석 표본을 재분석해 43억 5000만년으로 알려진 달의 나이가 그보다 더 오래된 약 45억 1000만년이라는 분석 결과를 과학 저널 ‘네이처’ 12월 19일자에 발표했다.

유용하 과학전문기자



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