빅뱅 이후 우주에서 가장 밝은 폭발인 감마선 폭발. 몇 초 만에 태양이 평생 내는 에너지를 방출하는 이 극단적 현상은 초거대 블랙홀의 탄생과 중성자별 충돌에서 일어납니다. 감마선 폭발의 정체를 알아봅니다. 오늘은 감마선 폭발, 우주 최대의 폭발이 일어나는 순간에 대해서 살펴보겠습니다.
냉전이 발견한 우주의 비밀
1960년대, 미국은 소련의 핵실험을 감시했다. 벨라 위성을 띄웠다. 감마선을 탐지했다. 핵폭발은 감마선을 낸다. 위성이 이상한 신호를 잡았다. 감마선이었다. 하지만 지구에서 온 게 아니었다. 우주에서 왔다. 갑자기 밝아졌다가 사라졌다. 몇 초에서 몇 분이었다. 무엇일까. 군은 기밀로 했다. 1973년에야 공개됐다. 학술지에 논문이 실렸다. 감마선 폭발이었다. 천문학계는 충격받았다. 감마선은 가장 에너지 높은 빛이다. 엄청난 에너지가 필요하다. 무엇이 만들까. 미스터리였다. 초기엔 은하수 안 현상으로 생각했다. 하지만 분포가 이상했다. 하늘 전체에 고르게 퍼졌다. 은하 원반에 집중되지 않았다. 은하수 밖일 수 있다. 논쟁이 30년 지속됐다. 1997년, 답이 나왔다. 벱포삭스 위성이 감마선 폭발을 잡았다. 빠르게 위치를 보냈다. 지상 망원경이 관측했다. 잔광이 보였다. 스펙트럼을 분석했다. 적색편이가 있었다. 0.835였다. 60억 광년 떨어졌다. 우주론적 거리였다. 은하수 밖이 확실했다. 그렇게 멀리서 보이려면 엄청나게 밝아야 한다. 빅뱅 이후 가장 밝은 폭발이다. 몇 초 만에 태양이 평생 내는 에너지를 낸다. 초신성보다 100배 밝다. 전체 은하보다 밝을 때도 있다. 어떻게 가능할까. 제트였다. 빛이 모든 방향으로 퍼지지 않는다. 좁은 제트로 쏜다. 집중된다. 훨씬 밝아 보인다. 상대론적 제트다. 빛의 속도에 가깝다. 극도로 집중된 에너지 분출이다.
긴 폭발과 짧은 폭발
감마선 폭발은 두 종류다. 긴 폭발과 짧은 폭발이다. 기준은 2초다. 2초 이상이면 긴 폭발이다. 평균 30초다. 어떤 건 수 분 지속된다. 2초 미만이면 짧은 폭발이다. 평균 0.3초다. 깜빡이고 끝난다. 원인이 다르다. 긴 폭발은 초대질량별 폭발이다. 태양의 20배 이상 무거운 별이다. 연료를 다 쓴다. 중심핵이 붕괴한다. 블랙홀이 된다. 바깥 물질이 빠르게 떨어진다. 강착원반을 만든다. 회전한다. 자기장이 생긴다. 양극에서 제트가 쏜다. 별을 뚫고 나간다. 감마선을 낸다. 콜랩사라 부른다. 핵붕괴 감마선 폭발이다. 초신성과 함께 일어난다. Ib/c형 초신성이다. 별 바깥층이 날아간다. 며칠 후 밝아진다. 잔광이다. 가시광선으로 보인다. 짧은 폭발은 중성자별 충돌이다. 두 중성자별이 서로를 돈다. 쌍성이다. 중력파로 에너지를 잃는다. 궤도가 줄어든다. 결국 충돌한다. 합쳐진다. 엄청난 에너지가 난다. 감마선 폭발이다. 중원소가 만들어진다. 금, 백금, 우라늄이다. 킬로노바라 부른다. 2017년, 최초 관측됐다. GW170817이다. LIGO가 중력파를 잡았다. 1.7초 후 감마선 폭발이 관측됐다. 페르미 위성과 인테그랄이 봤다. 위치가 일치했다. NGC 4993 은하였다. 1억 3천만 광년 떨어졌다. 지상 망원경들이 관측했다. 킬로노바를 봤다. 스펙트럼에서 중원소가 확인됐다. 역사적 순간이었다. 중력파, 감마선, 가시광선 동시 관측이었다. 다중신호 천문학의 시작이었다. 감마선 폭발은 방향성이 있다. 제트가 우리를 향해야 보인다. 좁다. 각도가 1도 정도다. 대부분은 빗나간다. 못 본다. 실제론 훨씬 더 자주 일어난다. 하루 1회 정도로 추정된다. 관측되는 건 하루 1-2개다.
우주 최악의 재앙과 원소의 기원
감마선 폭발이 지구를 향하면 어떻게 될까. 재앙이다. 가까우면 생명이 멸종한다. 얼마나 가까워야 할까. 6,000광년 이내면 위험하다. 오존층이 파괴된다. 감마선과 우주선이 쏟아진다. 자외선이 증가한다. 생태계가 무너진다. 4억 4천만 년 전 대멸종이 감마선 폭발 때문일 수 있다. 오르도비스기 말이다. 해양 생물 85퍼센트가 멸종했다. 원인이 불분명했다. 감마선 폭발 가설이 있다. 6,000광년 거리에서 터졌을 수 있다. 오존층이 손상됐다. 자외선이 급증했다. 표층 생물이 죽었다. 증거는 없다. 가능성일 뿐이다. 다행히 흔하지 않다. 은하수에서 감마선 폭발은 100만 년에 1회 정도다. 우리를 향할 확률은 더 낮다. 제트가 좁으니까. 수억 년에 1회 정도다. 당장은 위험 없다. 하지만 후보가 있다. WR 104다. 용골자리 에타별도 있다. 둘 다 초대질량별이다. 언젠가 폭발한다. 감마선 폭발을 낼 수 있다. WR 104는 8,000광년 떨어졌다. 회전축이 우리를 향한다는 설도 있다. 논란이다. 정확한 각도는 모른다. 위험하지 않을 수도 있다. 감마선 폭발은 과학적으로 중요하다. 블랙홀 탄생을 보여준다. 제트 물리를 연구한다. 상대론적 효과를 관측한다. 우주 초기 역사도 본다. 가장 먼 감마선 폭발은 적색편이 9.4였다. 130억 광년 떨어졌다. 빅뱅 후 6억 년이다. 우주 초기 별을 연구할 수 있다. 중원소 기원도 밝힌다. 킬로노바가 금을 만든다. 우리 몸의 금도 중성자별 충돌에서 왔다. 우주는 폭력적이다. 감마선 폭발은 그 극단이다. 하지만 동시에 창조적이다. 무거운 원소를 만든다. 블랙홀을 탄생시킨다. 우주를 진화시킨다. 스위프트, 페르미, 인테그랄 위성이 감시 중이다. 매일 감마선 폭발을 찾는다. 즉시 경보를 보낸다. 지상 망원경이 후속 관측한다. 다음 킬로노바를 기다린다. 다음 중력파 이벤트를 기다린다. 우주 최대 폭발의 비밀을 풀어간다.