서론
2008년 3월 19일 우연히 밤하늘을 바라본 사람들 가운데 일부는 평생 한 번 뿐일지 모르는 색다른 경험을 했습니다. 무려 74억 년을 여행해 마침내 지구에 도달한 빛을 맨눈으로 볼 수 있었기 때문입니다. 이 사건은 우주에서 일어나는 극한 현상과 우리 우주의 이해를 확장하는 중요한 계기가 되었습니다.
감마선 폭발, 우주에서 가장 격렬한 폭발 현상
이날 맨눈으로 관측된 빛의 실체는 감마선 폭발, 즉 GRB에서 발생한 후광입니다. 감마선 폭발은 우주에서 가장 격렬한 초대형 폭발 현상으로, 수초에서 수분 동안 지속되며 태양이 평생 내놓는 에너지보다 훨씬 큰 에너지를 방출합니다. 이러한 폭발은 태양보다 100배 이상 무거운 별이 자체 중력을 견디지 못하고 블랙홀로 붕괴할 때 또는 쌍을 이루는 중성자별이 합쳐지면서 블랙홀이 될 때 발생합니다.
감마선 폭발은 대부분 짧은 파장인 감마선과 X선으로 시작하며, 그 후 가시광선, 자외선, 적외선 등으로 이어지는 후광을 남깁니다. 후광은 폭발 직후 나타나 수 주에서 수개월 동안 지속되며, 분출물이 주변 성간물질과 충돌하면서 발생합니다. 2004년 발사된 NASA의 스위프트 위성은 감마선 폭발을 관측하기 위해 고안되었으며, 예상 수명을 훨씬 넘어 현재까지도 활발히 작동하며 매주 두 건씩 폭발을 기록하고 있습니다.
2008년 3월 19일 관측된 GRB 080319B는 후광 분석 결과 지구에서 74억 광년 떨어진 곳에서 발생했으며, 지금까지 관측된 천체 중 가장 밝은 기록을 세웠습니다. 이 폭발은 당시 40초 동안 맨눈으로도 관찰될 수 있었고, 후광 분석을 통해 감마선 폭발의 구조와 메커니즘을 이해하는 중요한 자료가 되었습니다.
초기 우주와 감마선 폭발을 통한 역사 기록
감마선 폭발은 단순히 밝기뿐 아니라 우주의 역사를 기록하는 역할도 합니다. 2009년 스위프트 위성은 GRB 090423를 관측했으며, 이는 약 130억 년 전에 일어난 사건으로 빅뱅 이후 6억 3000만 년 시점의 우주를 보여주었습니다. 당시 우주의 크기는 오늘날의 9분의 1에 불과했으며 은하 수도 지금처럼 많지 않았던 것으로 추정됩니다.
임명신 교수팀이 분석한 GRB 071025의 후광 관측 자료는 초기 우주의 먼지 기원에 대한 흥미로운 단서를 제공했습니다. 이 폭발은 120억 광년 떨어진 곳에서 발생했으며, 스펙트럼이 붉은색을 많이 띠고 있는 것으로 보아 폭발 주변에 먼지가 많이 존재했음을 보여주었습니다. 먼지는 초신성 폭발에서 비롯된 것으로 추정되며, 이는 초기 우주에서도 별들이 활발히 형성되고 폭발했음을 시사합니다.
감마선 폭발은 약 80억 년 전을 기점으로 가장 빈번하게 발생했으며, 이는 우주 진화와 별 형성 활동이 활발했던 시기와 일치합니다. 이를 통해 초기 우주의 물질 구성과 별 탄생 역사를 이해하는 중요한 단서를 얻을 수 있습니다.
감마선 폭발의 분류와 새로운 관측 현상
감마선 폭발은 관측된 지속 시간에 따라 두 가지로 분류됩니다. 지속 시간이 2초 미만인 짧은 감마선 폭발은 중성자별의 합병이나 블랙홀로의 흡수 과정에서 발생하며, 전체 폭발의 30%를 차지합니다. 지속 시간이 2초 이상인 긴 감마선 폭발은 질량이 큰 별이 블랙홀로 붕괴하면서 극초신성 폭발을 동반하고, 제트 방향으로 감마선을 포함한 물질을 방출합니다. 긴 폭발의 후광 데이터 대부분은 이러한 폭발에서 얻어집니다.
그러나 일부 사건은 기존 두 가지 메커니즘으로 설명되지 않는 특이한 패턴을 보이기도 합니다. 예를 들어 2010년 12월 25일 관측된 GRB 101225A는 크리스마스 감마선 폭발로 불리며 감마선 분출이 30분간 지속되고 이어지는 X선 후광은 빠르게 사라지는 특성을 보였습니다. 이에 대해 한 연구팀은 중성자별이 거성 옆을 지나 나선형 궤도로 접근하면서 블랙홀로 합쳐진 과정에서 폭발이 일어났다고 해석했으며, 또 다른 연구팀은 우리은하 내부에서 중성자별과 작은 천체 간 조석력으로 인한 폭발로 해석했습니다.
이러한 연구 사례는 감마선 폭발이 단순한 현상이 아니라 다양한 경로와 메커니즘으로 발생할 수 있음을 보여주며, 초기 우주의 별 탄생, 물질 상태, 블랙홀과 초신성 폭발에 관한 여러 천문학적 난제를 푸는 도구로 활용되고 있습니다.