The fraction of periodic SN Ib/c light curves

거대한 별이 연료를 다 쓰면 붕괴하며 폭발하고, 우주 전역으로 찬란한 빛의 섬광을 보냅니다. 초신성이라고 알려진 이 폭발은 자연계에서 가장 에너지 넘치는 사건 중 하나입니다. 오랫동안 천문학자들은 이 폭발의 빛이 마치 타들어 가는 양초처럼 매끄럽고 예측 가능한 곡선을 그리며 서서히 사라질 것이라고 믿었습니다. 그러나 최근의 관측은 이 죽어가는 별들 중 일부가 조용히 사라지지 않는다는 사실을 밝혀냈습니다. 대신, 이들의 밝기는 어두워지는 과정에서 규칙적인 패턴을 그리며 위아래로 꿈틀거리며 변합니다. 이러한 리드미컬한 맥동은 드물고 수수께로 가득한 현상입니다. 이는 폭발하는 별이 혼자가 아니었음을 시사합니다. 즉, 그 별은 궤도를 돌고 있는 동반성(companion star)을 가지고 있었을 가능성이 높습니다. 폭발이 일어날 때, 새롭게 형성된 밀도가 높은 핵이 이 동반성과 상호작용하며 빛이 맥동하게 만드는 중력적 줄다리기를 일으켰을 수 있습니다. 이러한 현상이 얼마나 자주 발생하는지를 이해하는 것은 과학자들이 얼마나 많은 별이 쌍성을 이루어 살아가고, 죽기 전에 어떻게 진화하는지를 파악하는 데 도움을 줍니다.

와이즈만 과학 연구소(Weizmann Institute of Science)의 연구팀은 이 거동을 체계적으로 살펴보기로 했습니다. 그들은 이 맥동하는 폭발이 그저 몇몇 기이한 사고인지, 아니면 상당한 규모의 집단을 나타내는 것인지 알고 싶었습니다. 이를 알아내기 위해 그들은 매일 밤 하늘을 스캔하며 수천 개의 변화하는 광원을 포착하는 캘리포니아의 강력한 망원경인 주키 트랜지언트 시설(Zwicky Transient Facility)을 활용했습니다. 연구팀은 Type Ib 또는 Ic라고 불리는 특정 유형의 초신성에 집중했습니다. 이들은 이미 수소나 헬륨 외층을 잃어버린 별들의 폭발로, 종종 폭발 전 동반성이 이 층들을 앗아갔기 때문에 발생합니다. 연구진은 서른네 개의 서로 다른 후보들에 대한 광도 곡선(빛이 시간에 따라 어떻게 밝게 보이는지를 기록한 것)을 수집했습니다. 그들은 패턴을 포착할 수 있을 만큼 충분한 측정값을 가진 고품질의 데이터가 필요했기에, 망원경이 해당 별을 충분한 시간 동안 관찰하고 충분한 사진을 찍은 사건들만을 선별했습니다.

데이터 속에 숨겨진 리듬을 찾기 위해, 연구팀은 이전의 시도들보다 더 세심한 새로운 컴퓨터 방법을 구축했습니다. 별의 일반적인 감쇠를 먼저 매끄럽게 처리한 다음 남은 부분에서 꿈틀거림을 찾는 대신, 그들의 방법은 감쇠와 꿈틀거림을 하나의 연결된 문제로 취급했습니다. 그들은 전체적인 감소 곡선에 수학적 곡선을 맞춤과 동시에 반복되는 파동 패턴을 테스트했습니다. 이러한 접근 방식은 컴퓨터가 너무 빨리 신호를 매끄럽게 만들어 실제 신호를 실수로 숨겨버리는 것을 방지했습니다. 그들은 이 엄격한 테스트를 샘플 내 모든 광도 곡선에 적용하여, 무작위 소음으로부터 명확하게 구별되는 반복 주기가 있는지 탐색했습니다. 그들은 발견의 기준을 매우 높게 설정하여, 패턴이 망원경에서 관측된 두 가지 서로 다른 색상의 빛에서도 명확하게 나타나도록 함으로써, 신호가 실제 신호인지 아니면 단순히 데이터의 오류인지 확인했습니다.

탐색 결과 세 개의 명확한 결과가 나왔습니다. 두 개는 이미 다른 천문학자들에 의해 이러한 맥동 거동이 있는 것으로 식별된 별들인 SN 2022jli와 SN 2022esa였습니다. 연구팀의 방법은 이 별들에서 알려진 패턴을 성공적으로 복구함으로써 새로운 접근 방식이 작동함을 입증했습니다. SN 2022jli는 약 12일마다 한 번씩 맥동을 보였고, SN 2022esa는 약 34일마다 맥동했습니다. 하지만 가장 흥는 발견은 이전에 주기적 후보로 표시되지 않았던 세 번째 별인 SN 2020sgf였습니다. 2020년에 폭발한 이 별은 한 가지 색상의 빛에서는 약 30일, 다른 색상의 빛에서는 약 36일의 명확하고 반복적인 패턴을 보여주었습니다. 두 색상 사이의 정확한 타이밍은 약간 달랐지만, 그 차이는 동일한 근본적인 리듬과 일치할 만큼 작았습니다. 이 발견은 맥동하는 초신부라는 작은 클럽에 새로운 멤버를 추가했습니다.

이 세 가지 발견이 더 넓은 범위의 폭발하는 별들에게 무엇을 의미하는지 이해하기 위해, 연구진은 자신들의 탐색이 가진 한계를 고려해야 했습니다. 그들은 자신들의 망원경이 모든 가능한 리듬을 볼 수 없다는 점을 깨달았습니다. 만약 별이 매우 느리게 맥동하거나 맥동이 매우 희미하다면, 별이 너무 빨리 어두워지거나 태양의 눈부심에 의해 일 년 중 일부 기간 동안 가려질 경우 망원경이 이를 완전히 놓칠 수도 있습니다. 이 사각지대를 측정하기 위해, 그들은 수천 번의 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 34개의 별에서 얻은 실제 데이터에 서로 다른 강도와 속도를 가진 가짜 맥동 신호를 몰래 추가했습니다. 그런 다음, 수정된 데이터에 자신들의 탐지 방법을 실행하여 가짜 신호를 얼마나 자주 찾아내는지 확인했습니다. 이 과정은 그들의 민감도 지도를 만들어 주었으며, 어떤 유형의 맥동하는 별을 포착할 수 있고 어떤 유형을 놓칠 가능성이 높은지를 정확히 보여주었습니다.

이 민감도 지도를 손에 쥔 연구팀은 이 발견들을 쌍성계에서 별들이 어떻게 행동하는지에 대한 이론적 모델과 비교했습니다. 이 모델들은 탈피된 외층을 가진 초신성 중 일정 비율이 동반성과의 상호작용으로 인해 이러한 맥동 거동을 보일 것이라고 예측합니다. 연구진은 만약 맥동하는 별이 아주 극소수뿐이라면, 자신들의 샘플에서 세 개나 발견할 가능성이 매우 낮았을 것이라는 점을 발견했습니다. 세 개를 찾아냈다는 사실은 실제 숫자가 더 높다는 것을 시사합니다. 그들의 분석에 따르면, 이 초신성들의 약 20%가 주기적이라는 모델 예측이 관측 결과와 일치합니다. 이는 이러한 리드미컬한 폭발이 예외적으로 드문 기이한 현상이 아님을 의미합니다. 대신, 이들은 생애 마지막 순간에 동반성과 상호작용하는 죽어가는 별들의 상당한 하위 그룹, 즉 다섯 개 중 하나 정도를 차지할 가능성이 높습니다.

이 연구는 데이터를 새로운 시각으로 바라보는 것의 중요성을 강조했습니다. 연구진은 발견된 주기 중 두 개가 달의 29.5일 주기와 가깝다는 점에 주목했습니다. 달빛은 때때로 망원경 데이터에서 가짜 패턴을 만들어낼 수 있지만, 연구팀은 자신들의 발견이 이러한 효과에 의해 발생했다는 증거를 찾지 못했습니다. 신호는 서로 다른 색상의 빛 전반에 걸쳐 강력하고 일관되었으며, 이는 별 내부의 물리적 원인을 가리키고 있었습니다. 이 작업은 적절한 도구와 충분한 샘플이 있다면, 천문학자들이 개별적인 기이한 천체를 연구하는 수준을 넘어 더 넓은 집단을 이해할 수 있음을 보여줍니다. SN 2020sgf의 발견과 다른 사례들의 확인은, 우주가 이러한 쌍성 상호작용으로 가득 차 있으며, 다음 세대의 하늘 조사(sky survey)가 이를 찾아내기를 기다리고 있음을 시사합니다.