흑색왜성

흑색왜성은 왜 아직 우주에 하나도 없을까?

흑색왜성은 백색왜성이 상상하기 어려울 만큼 오랜 시간 열을 잃어 거의 빛을 내지 않게 된 미래의 항성 잔해를 가리키는 이론적 개념이다. 우주는 약 138억 년 되었지만 백색왜성이 충분히 식는 데 필요한 시간은 그보다 압도적으로 길다고 예상된다. 그래서 현재 관측된 흑색왜성은 없으며, 이름도 실제 분광형이 아니라 먼 미래 상태를 설명하는 말이다.

• 출발점 핵융합을 멈추고 남은 열로 빛나는 백색왜성
• 과정 주변으로 열을 방출하며 점점 차갑고 어두워진다.
• 관측 상태 우주가 충분히 늙지 않아 현재 존재할 수 없는 것으로 본다.
• 불확실성 최종 온도와 시간은 우주의 먼 미래 환경과 물리 모형에 달려 있다.

백색왜성은 왜 그렇게 천천히 식을까?

백색왜성은 지구와 비슷한 크기에 큰 질량이 압축된 고밀도 천체다. 새 핵융합 에너지는 만들지 않지만 내부에 저장된 열을 긴 시간에 걸쳐 방출한다. 냉각 중에는 내부 결정화와 원소 분리가 에너지 방출 속도에 영향을 준다. 점점 어두워질수록 우주 배경과의 온도 차이도 작아져 열을 잃는 과정이 더 길어진다. 단순히 몇 년을 세어 검게 되는 전구와는 전혀 다른 문제다.

흑색왜성은 검은 별을 발견해 붙인 이름이 아니라, 백색왜성 냉각을 우주의 먼 미래까지 연장한 사고 실험에 가깝다.

‘완전히 식는다’는 말은 절대영도일까?

대중 설명에서는 흑색왜성을 모든 열을 방출한 백색왜성이라고 간단히 말한다. 물리적으로 유한한 시간에 정확히 절대영도에 도달한다고 해석해서는 안 된다. 주변 우주의 배경 복사와 에너지를 주고받으며 점차 온도 차이가 작아진다는 뜻에 가깝다. 먼 미래에는 우주의 팽창, 입자 안정성, 아직 완전히 확정되지 않은 물리가 계산에 영향을 준다. 따라서 한 개의 정확한 탄생 연도를 제시하는 것보다 현재 우주 나이를 훨씬 넘는다고 표현하는 편이 과학적으로 안전하다.

별의 생애에서 어디에 놓일까?

1. 주계열성 태양 같은 별이 중심에서 수소를 융합한다.
2. 거성·외층 방출 낮거나 중간 질량 별이 생애 말기에 바깥층을 잃는다.
3. 백색왜성 뜨거운 중심 잔해가 핵융합 없이 오랜 세월 식는다.
4. 흑색왜성 아득한 미래에 거의 빛나지 않는 상태를 모형으로 예상한다.

이 연속에서 앞의 세 단계는 여러 천체로 관측되었다. 마지막 단계만 아직 이론의 영역이다. 흑색왜성을 백색왜성과 나란히 현재 존재하는 별 종류처럼 표시하면 관측 여부에 대한 중요한 차이가 사라진다.

미래의 흑색왜성을 어떻게 연구할까?

천문학자는 지금 관측되는 다양한 온도의 백색왜성을 비교해 냉각 모형을 시험한다. 가이아가 측정한 백색왜성 집단의 밝기와 색은 결정화가 냉각을 늦추는 신호를 보여 주었다. 이렇게 검증한 물리를 더 긴 시간으로 확장해 흑색왜성 개념을 다룬다. 다만 백색왜성 내부 물질의 장기 변화나 양성자 붕괴 같은 가설은 아직 확정되지 않았다. 먼 미래의 특이한 폭발을 다룬 연구도 있지만, 흑색왜성의 기본 정의와 관측 사실로 혼동해서는 안 된다.

흑색왜성은 블랙홀과 무관하다. 사건의 지평선을 가진 중력 천체가 아니라 냉각한 백색왜성의 가상적 후손이다.

출처

• NASA Science, Universe Glossary
• NASA Science, Types of Stars
• Adams & Laughlin, A Dying Universe
• Caplan, Black Dwarf Supernova in the Far Future