탄소(Carbon)는 지구상의 모든 생명체에서 발견되는 유기 화합물의 주성분이고 그 기원은 천체물리학자들이 자주 연구하는 주제이다. 탄소(Carbon)의 근원을 추적하기 위해 국제 공동 연구팀은 백색왜성들(white dwarfs)의 집단을 분석했다. 그들은 우리 은하계에 있는 대부분의 탄소가 태양의 두 배 크기인 항성들에서 나온다는 것을 발견했다. 이 항성들은 대량의 질량 방출 후 작은 백색 왜성이 된다. EU가 후원하는 WD3D 및 STARKEY 프로젝트의 지원을 받은 이 연구는 학술저널 ‘네이처 천문학(Nature Astronomy)’에 게재되었다.
연구를 위해 과학자들은 은하계에서 거의 같은 시기에 형성된 수천 개의 별들이 상호 중력에 의해 서로 결합되어 무리를 이루고 있는 개방성단(또는 산개성단, Open star cluster)에서 백색왜성들(white dwarfs)을 관찰했다. 연구자들은 2018년 하와이의 W.M. Keck 천문대에서 수집된 데이터들을 사용하였다. 캘리포니아 산타크루즈 대학(UCSC)의 뉴스 기사에서 연구진은 백색왜성들(white dwarfs)의 질량을 분석한 결과, "예상보다 현저히 커 일정 범위 내에서 초기 질량을 가진 항성들에 대한 초기-최종 질량관계에(initial-final mass relation) [IFMR]에 ‘뒤틀림(kink)’이 일어난 것을 발견했다“고 말했다. 같은 뉴스 기사에서 STARKEY 프로젝트의 연구책임자인 파두아 대학교(University of Padua)의 파올로 마리고(Paola Marigo) 교수는 이 현상이 은하계의 저질량(low-mass) 항성들에 의해 만들어진 탄소 합성의 특징이라고 해석한다.
항성의 형성에서 붕괴까지
항성의 초기-최종 질량관계(IFMR)는 항성의 탄생 질량과 이의 붕괴 후 잔유물 질량 사이의 관계이다. 전체 수명 주기 중 마지막 단계에서 항성들은 탄소를 비롯한 화학 원소가 풍부하게 포함된 항성풍을(stellar winds) 통해 주변 공간으로 재를 퍼뜨린다. 산타크루즈 대학의 뉴스 기사는 연구진의 항성 모델이 탄소가 풍부한 맨틀(mantle)이 미래 백색왜성이 될 이들 항성들의 중심핵이 크게 성장할 수 있을 만큼 충분히 느리게 분열되었음을 나타낸다고 설명했다. 연구진은 또한 뒤틀림(kink) 주변의 초기-최종 질량 관계를(IFMR) 분석한 결과 태양 질량보다 2배 이상 큰 항성들은 은하계의 탄소를 풍부하게 하는데 기여한 반면 태양 질량의 1.5배 미만인 별은 그렇지 못하다는 결론을 내렸다. 마리고 교수는“이제 우리는 탄소가 초기 질량이 태양의 질량보다 대략 1.5배 이상인 항성들에서 나왔다는 것을 알게 되었다”고 말했다.
연구의 공동저자이자 WD3D 프로젝트의 주관기관인 Warwick 대학의 피에르 에마뉴엘 트렘블레(Pier-Emmanuel Tremblay) 부교수는 초기-최종 질량관계(IFMR)는 “초신성과 같이 멀리서 볼 수 있는 거대한 폭발의 낮은 질량 한계를 설정하고 우주의 본질을 이해하는 데 정말 중요하다”고 강조한다.
현재 진행중인 WD3D(Evolution of white dwarfs with 3D model atmospheres) 프로젝트는 정기보고서에 명시된 바와 같이 “모든 대기 화학 성분의 항성 잔여물에 대한 3D 시뮬레이션을 계산하고 이러한 표면 계산을 기체가 액체로 변하고 이후 고체로 변하는 내부 구조 모델에 연결하는 것”을 목표로 한다. 이번 연구에 함께 기여한 STARKEY(TP-AGB STAR Conundrum : a KEY to Galaxy Evolution) 프로젝트는 2019년 4월에 종료되었다.
