新 星 / Nova
1. 개요
신성은 희미한 상태에 있다 갑자기 환하게 밝아지는 별을 말한다.갑자기 밝기가 확 밝아지는 별이 나타나다 보니 과거 사람들은 새로운 별이 탄생한 것이라고 생각하여 '새롭다'는 의미를 지닌 라틴어인 nova( 노바)로 불렀다. 그러나 천문학이 발전한 오늘날에는 새로운 별이 탄생한 게 아니라 별이 갑자기 폭발하여 수십분 ~ 수일 내에 광도가 수백 ~ 수만배 정도로 올라갔다가[1] 다시 어두워지는 것이라는 사실을 알게 되었다. 즉, 폭발 변광성의 한 종류이다. 그럼에도 과거의 명칭을 그대로 쓰고 있다.
참고로 동아시아 고문헌의 客星을 번역할 때는 예외적으로 guest star라는 용어를 사용한다. 고천문학 같은 분야에서 과거의 천문 기록을 인용하거나 언급할 때 주로 쓰이는 표현이다.
2. 상세
최대 절대 등급은[2] －7등 정도이며 그 후의 감광은 완만하여 밝기가 1/10이 되는 데는 수일 ~ 수년이 걸린다. 밝기가 증대하고 있는 중에는 보통의 흡수 스펙트럼을 볼 수 있지만 최대 광도에 도달하고 나서 수시간 ~ 수일 후에는 고도로 이온화한 원자의 강한 스펙트럼이 나타난다.연성계 중에서도 근접 쌍성계, 그 중에서도 적색 거성과 백색왜성이 쌍을 이루는 곳에서 발생하는 것으로 추측하고 있다. 정확히 밝혀진 것은 아닌데 지금까지 확인된 신성들의 경우 대부분 이 조건을 만족하기 때문에 옳은 주장으로 판단하고 있다.
적색거성은 수소 핵융합 반응의 부산물인 헬륨의 비중이 높다보니 상태가 불안정해져 팽창하려는 힘과 중력으로 인해 수축하려는 힘의 균형이 맞지 않는 경우가 대부분이다. 그러다보니 열심히 팽창을 하다보면 인근 백색 왜성의 중력권[3]까지 팽창을 하게 되는데[4] 이 때 백색왜성이 팽창한 적색 거성의 외부 물질들을 빨아들이게 된다. 이러한 물질들이 계속 축적되다보면 백색 왜성이 불안정상태에 놓이면서 수소와 헬륨 등 핵융합이 재개되어 핵 폭발을 일으키게 되는데 그로 인해서 고온의 가스와 함께 상당한 에너지를 방출하게 된다.
이 영향으로 밝기가 급격하게 밝아지게 되는데 사람들이 보기에는 마치 새로운 별이 탄생한 것처럼 보인다. 하지만 일시적인 에너지의 과포화로 발생한 현상이기 때문에 일정한 시간이 흐르고 나면 백색왜성은 안정을 되찾게 되고 서서히 어두워지기 때문에 다른 사람들이 보기에도 별이 사라진 것처럼 느껴지게 된다. 이와 같은 과정은 적색 거성이 그 수명을 다하거나 백색왜성의 질량이 충분히 증가해 중성자별이 될 때까지 계속된다.
요약하면 핵융합이 멈춘 어두운 백색왜성과 적색거성으로 이루어진 쌍성계에서 크게 팽창한 적색거성의 수소와 헬륨 등 가스들이 백색왜성의 강력한 중력에 이끌려 백색왜성에 축적된다. 백색왜성에 쌓인 가스가 일정한 양을 넘으면 가스들이 다시 핵융합 반응을 일으키기 시작해 백색왜성이 다시 주계열성처럼 다시 밝게 빛나게 되는데 그 밝기가 이전의 적색거성의 밝기보다 월등히 밝아서 멀리서 보면 마치 어둡던 적색거성이 엄청나게 밝아진 것처럼 보인다. 축적된 가스들이 모두 핵융합으로 소모되면 별은 다시 어두워져 원래 밝기로 돌아간다. 이런 현상으로 적색거성이나 백색왜성 자체는 폭발해서 사라지거나 하지 않기 때문에 이런 현상은 보통 수백 년이나 수십 년 주기로 반복적으로 나타나는 경우가 많아 사람들이 관측하기에는 갑자기 밝은 별이 나타난 것으로 보이는 것이다. 핵융합이 끝난 잔해는 백색왜성에 점차 흡수되어 백색왜성이 더욱 크고 무거워지게 된다.
참고로 똑같이 폭발 변광성의 하나인 초신성은 신성의 수백 ~ 수만 배의 최대 광도를 발하며 신성과는 구별된다. Type Ia 초신성은 위에서 설명한 대로 쌍성계에서 백색왜성이 적색거성의 가스를 빼앗아 핵융합으로 폭발하는 점은 비슷하지만 폭발의 규모가 너무 커서 격렬한 폭발의 위력으로 백색왜성 자체가 완전히 파괴되어 넓은 우주공간에 다량의 잔해물을 뿌리고 사라져 버리기 때문에 주기적으로 반복되지 않고 1회성 대폭발으로 끝난다. 신성과 초신성을 가르는 한계는 백색왜성이 적색거성의 가스를 점차 빨아먹다가 그 질량이 찬드라세카르 한계(태양 질량의 1.44배)를 넘게 되면 더이상 축퇴압으로 버틸 수 없어서 백색왜성의 중심을 향해 순식간에 붕괴하게 되는데 이때 발생하는 에너지는 수소핵융합과 비교할 수 없는 대량의 에너지를 순간적으로 내고 그 에너지의 반동으로 외부는 대폭발을 한다. 그러므로 조건에 따라 원래 주기적으로 폭발하던 신성도 어느 한계를 넘으면 초신성으로 대폭발하고 끝날 수 있다.