user: 초신성이 뭐야?

gpt: **초신성**은 신성보다 에너지가 큰 별의 폭발을 의미한다. 초신성은 그 광도가 극도로 높으며, 폭발적인 방사선을 일으키기에, 어두워질 때까지 수 주 또는 수 개월에 걸쳐 한 개 은하 전체에 필적하는 밝기로 빛난다. 이 짧은 기간 동안 초신성은 태양이 평생에 걸쳐 발산할 것으로 추측되는 에너지만큼의 방사선을 방출한다.

‘신성’이란 ‘새로운’이라는 의미의 라틴어 낱말에서 유래된 것으로, 천구상에 매우 밝은 별이 새로 나타난 것처럼 보이는 것을 칭한 것이며, 접두사 ‘초-’는 초신성이 광도가 훨씬 떨어지는 보통의 신성과는 구분되는 존재라는 것을 의미한다. ‘초신성’이라는 단어는 1931년에 발터 바데와 프리츠 츠비키가 만들어낸 조어이다.

초신성이 생성될 수 있는 방법은 죽은 별에 갑작스러운 핵융합 재점화가 일어나거나, 또는 거대한 별의 중심핵이 붕괴하거나 두 가지가 있다. 별의 시체라고 할 수 있는 백색 왜성이 동반성으로부터 물질을 빼앗아 갈 때, 강착 현상이 일어나거나 아예 동반성과 하나가 되거나 하여, 빼앗은 물질이 충분히 누적되면 백색 왜성의 중심핵 온도가 상승하여 탄소발화가 일어난다. 그리하여 탄소 핵융합에 불이 붙으면 열폭주가 일어나 별을 완전히 파열시키게 된다. 또는 질량이 거대한 별의 중심핵이 갑작스런 중력 붕괴를 일으키고, 그로 인하여 중력 위치 에너지를 발산할 때 역시 초신성 폭발이 일어난다.

우리 은하에서는 케플러 초신성 이후 초신성이 한 개도 발견되지는 못했지만, 초신성 잔해들을 살펴보면 우리 은하에서도 한 세기당 평균 약 세 번의 초신성 폭발 사건이 일어나고 있음을 알 수 있다.

user: 현재의 초신성 이론에 대해서도 설명해 주세요.

gpt: 전술한, 천문학자들이 부여한 초신성 유형 코드는 사실상 분류학적이다. 유형 번호는 관측된 초신성의 빛에 의해 결정되는 것이며, 그 발생 원인을 설명해 준다고 할 수 없다. 예컨대 Ia형 초신성은 찌꺼기 별인 백색 왜성이 원형별이며, 백색 왜성에서 핵융합 열폭주가 일어나서 발생하는 반면, 스펙트럼상 유사한 Ib형과 Ic형 초신성은 막대한 질량의 울프-레이에별이 원형별이며, 그 원형별의 중심핵이 중력 붕괴하여 발생한다. 후술할 내용에서는 현재 초신성에 대해 가장 타당한 해석이라고 천문학자들에 의해 판단되는 바를 요약하도록 한다.

## 열폭주
동반성의 물질을 털어먹던 백색 왜성에 충분한 물질이 누적되면, 탄소발화로 인해 탄소 핵융합이 일어날 수 있을 정도로 중심핵의 온도가 높아진다. 그렇게 되면 백색 왜성의 핵융합은 열폭주를 일으키고, 별은 완전히 파괴된다. 이 유형의 초신성 폭발은 항상 거의 같은 질량에 유사한 화학조성의 별들이 폭발하여 일어나므로, Ia형 초신성의 성질은 매우 균일하며 은하간 거리를 가늠하는 표준촉광으로서 유용하다. 성질의 점진적 변화,  변칙적인 빛의 진동수, 그리고 광도곡선과 스펙트럼에서 드러나는 근소한 밝기 차이 등을 보정하기 위한 약간의 교정이 필요하다.

## 중심핵 붕괴
질량이 막대한 항성이 어느 순간 핵융합이 불가능해져 자체 중력을 감당할 수 없게 되면, 그 중심핵이 붕괴하게 된다. 이 중심핵 붕괴는 Ia형 초신성을 제외한 다른 모든 초신성의 발생 원인이다. 붕괴로 인해 항성의 외부층이 맹렬하게 방출되고, 그 결과 초신성이 형성된다. 또는 중력 위치 에너지의 방출이 불충분하여, 에너지를 덜 복사하는 대신 붕괴의 결과 블랙홀이나 중성자별이 되기도 한다.

중심핵 붕괴는 여러 가지 서로 다른 기작을 통하여 일어날 수 있으며, 그러한 기작으로는 찬드라세카르 한계 초과, 전자 포획, 쌍불안정, 광붕괴 등이 있다. 거대한 별이 철질 핵을 형성하여 찬드라세카르 질량을 넘어서면, 더 이상 전자 축퇴압으로 스스로를 유지하지 못하고 중성자별 또는 블랙홀으로 붕괴한다. 축퇴된 산소/네온/마그네슘 핵에서 마그네슘이 전자를 포획하여 중력 붕괴를 일으키고 뒤이어 폭발적인 산소 핵융합이 일어남으로써 유사한 결과가 발생한다. 헬륨 이후 핵융합을 하는 거대한 핵에서 전자-양전자 쌍생성이 일어나면 별이 열역학적으로 유지될 수 없게 되고, 우선 붕괴가 일어난 뒤 핵융합 폭주가 일어나 쌍불안정형 초신성을 형성한다. 충분히 크고 뜨거운 항성핵은 직접 광붕괴를 일으킬 수 있을 정도로 강력한 감마선을 발생시킬 수 있으며, 이러한 감마선은 핵의 완벽한 붕괴를 초래한다.

이하 표는 현재까지 밝혀진 거대 항성의 중심핵 붕괴 원인과, 그것이 발생하는 항성 유형, 그로 인해 형성되는 초신성 유형, 그리고 초신성 이후 남게 되는 잔해를 정리한 것이다. 여기서 금속성이란 태양과 비교한, 수소와 헬륨을 제외한 원소들의 비율이다. 초기 질량은 초신성이 일어나기 전의 항성의 질량이며, 태양질량의 배수로 나타내었다. 다만 초신성 폭발 당시의 질량은 이것보다 훨씬 낮아질 수 있다. 표에 IIn형 초신성은 나타내지 않았다. IIn형 초신성은 다양한 원형 별이 다양한 유형의 붕괴를 일으켜 생성될 가능성이 있으며, 어쩌면 Ia형 백색 왜성 재점화에 의해서도 생성될 수 있는 것 같다. 다만 대부분의 IIn형 초신성은 매우 밝은 초거성 또는 극대거성의 철핵 붕괴로 인해 생성되는 것으로 보인다. IIn형의 명칭의 유래가 된 스펙트럼 좁은선은, 이 초신성이 별주위의 작고 자욱한 물질구름 속으로 팽창하기 때문에 발생한다.

항성 중심핵이 더 이상 스스로의 중력을 이겨내지 못할 지경이 되면, 스스로 내부를 향해 붕괴하는데 이때 속도는 초속 70,000 킬로미터에 이르며,

축퇴핵의 최초 붕괴는 베타 붕괴나 광붕괴, 전자 포획으로 인해 가속된다. 이러한 기작은 전자 중성미자의 폭발적 생성을 초래한다. 밀도가 상승하면서 중성미자가 중심핵 속에 붙잡히기 때문에 중성미자 방출은 중단된다. 중심핵의 안쪽 부분의 직경은 약 30 킬로미터 정도가 되고, 그 밀도는 원자핵의 그것과 비견될 정도가 된다. 중성자 축퇴압이 붕괴를 막으려고 하는데, 중심핵 질량이 15 태양질량을 초과하면 중성자 축퇴압이 붕괴를 견뎌내지 못하고, 초신성 폭발 없이 바로 블랙홀을 형성한다.

질량이 작은 중심핵에서는 붕괴가 중단되고, 초기온도 약 1천억 켈빈의 중성자 핵이 형성된다. '뜨거운' 중성미자는 모든 플레이버에서 중성미자-반중성미자 쌍을 이루어, 총 수가 전자포획 중성미자 수의 몇 배가 된다.

이렇게 형성된 중성자별 위로 외피층의 물질 일부가 떨어질 수 있는데, 중성자별에 8 태양질량 이상의 물질이 누적되면 다시금 붕괴하여 블랙홀을 형성할 수 있다. 이렇게 누적된 물질은 폭발의 운동에너지 또는 방출되는 방사능 물질의 양을 줄일 수 있지만, 어떤 상황에서는 감마선 폭발이나 이례적으로 밝은 초신성의 결과로 상대론적 제트를 형성할 수도 있다.

축퇴핵이 아닌 중심핵이 붕괴를 일으키면 추가적인 핵융합이 일어난다. 쌍불안정에 의해 중심핵 붕괴가 일어났을 때, 산소 핵융합이 시작되고 붕괴가 중단될 수 있다. 핵질량이 40 ~ 60 태양질량 이상일 경우, 붕괴가 중단되고 별은 말짱히 남지만, 더 큰 핵이 형성될 경우 핵붕괴는 다시 일어난다. 핵질량이 약 60 ~ 130 태양질량일 경우, 산소와 그보다 무거운 원소들의 핵융합이 너무 격렬하여 별 전체가 갈갈이 찢어져 초신성이 폭발한다. 질량범위의 상한 정도에서는, 태양질량의 수 배 상당의 니켈 56이 방출되어 초신성이 이례적으로 밝고 또 극도로 오래 지속된다. 핵질량이 그보다도 큰 경우에는 광붕괴가 일어날 정도로 핵온도가 높아지고, 핵은 완전히 붕괴하여 블랙홀이 된다.

### II형 초신성
NOTE: 이 부분에는 요약적 정보만을 기재합니다. 보다 자세한 정보는
 위에 링크된 "II형 초신성" 문서에 기재해 주십시오.
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처음 질량이 태양의 7배 이하인 별들은 탄소를 융합하지 못하고, 늙어서는 대기층을 상실하여 백색 왜성이 된다. 질량이 최소 10 태양질량인 별은 복잡한 방법으로 진화하여, 중심핵 속 온도가 더 뜨거운 곳에서 더 무거운 원소를 꾸준히 계속 태우게 된다.

초거성이 중심핵 붕괴를 일으킬 때, 아직 수소 외피층을 가지고 있으면 그 결과 II형 초신성이 형성된다. 밝은 별의 질량 손실률은 금속성과 밝기에 의해 결정된다. 태양 수준의 금속성에, 극도로 밝은 별은 중심핵 붕괴가 일어나기 전에 수소 외피층을 몽땅 소실하게 되고, II형 초신성을 형성하지 않는다. 금속성이 낮은 경우엔, 별이 수소 외피층을 가진 채로 중심핵 붕괴에 다다르지만, 눈에 보이는 초신성을 만들어내지 않고 곧바로 블랙홀로 짜부라든다.

처음 질량이 태양의 약 90배 이상인 별, 또는 그보다 약간 작고 금속성이 높은 별은 가장 흔하게 관측되는 유형인 II-P형 초신성을 형성할 것으로 생각된다. 중간 정도 ~ 높은 금속성을 가졌을 경우, 별이 항성의 질량 범위의 상한에 육박할 정도이면, 중심핵 붕괴가 일어날 때쯤이면 수소 외피층의 대부분을 상실한 상태로, II-L형 초신성이 된다. 금속성이 매우 낮고, 질량이 140 ~ 250 태양질량인 별은 수소 외피층과 산소 중심핵을 가진 채로 쌍불안정에 의한 중심핵 붕괴가 일어난다. 그 결과 II형의 특징을 나타내되, 니켈 56이 대량으로 방출되고 매우 밝은 초신성이 형성된다.

### Ib형 및 Ic형 초신성
이 초신성들은 II형과 마찬가지로 거대한 별이 중심핵 붕괴를 일으켜 형성된다. 하지만 강력한 항성풍 또는 동반성과의 상호작용 등으로 인해 외피층의 대부분을 상실하였기 때문에 Ib형 또는 Ic형 초신성이 된다. 초신성 폭발은 중심핵 붕괴의 순간에 별이 완전히 짜부라들어 블랙홀이 되지 않을 만큼 질량이 많지 않은 한 언제든지 일어날 수 있기 때문에, 모든 거대한 별은 중심핵 붕괴가 일어나기 전에 충분한 질량을 잃었다면 초신성을 일으킬 수 있다.

Ib형 초신성은 Ic형 초신성보다 흔하며, 대기중에 아직 헬륨이 존재하는 WC형 울프-레이에별에서 일어난다. 좁은 질량 범위 내에서, 중심핵이 붕괴하기 전에 별이 좀더 진화하여 헬륨이 거의 남아있지 않은 WO형 울프-레이에별이 된다. WC형 울프-레이에별은 Ic형 초신성의 원형 별이다.

Ic형 초신성 중 몇 퍼센트는 감마선 폭발와 관련이 있는데, 수소가 손실된 모든 Ib형 또는 Ic형 초신성은 폭발의 기하학적 구조에 따라 GRB를 일으킬 수 있다고 생각된다.

## 광도곡선
초신성의 유형이 서로 다르면 광도곡선의 모양과 폭도 달라지며, 이것은 가시 복사선이 생성되는 폭발의 근본적 기작과 방출된 물질의 투명성에 의해 결정된다. 빛의 파장이 다르면 광도곡선도 전혀 다른 모양을 하게 된다. 예컨대 자외선 및 그보다 짧은 파장에서는 불과 수 초 동안 지속되는, 극도로 밝은 절정기가 존재한다. 이것은 최초의 폭발 때 충격파가 발생하는 것과 상응하며, 긴 파장의 빛으로는 감지하기가 무척 어려운 것이다.

Ia형 초신성의 광도곡선은 거의 균일하여, 일정한 최대 절대등급과 상대적으로 가파른 밝기 감소를 보인다. 에너지 방출은 니켈 56이 코발트 56으로 변하는 방사성 감쇠에 의한 것이다. 폭발로 인해 방출된 물질들에서 생성된 방사성 동위원소들은 주위 물질들을 들뜨게 하여 백열을 만들어낸다. 광구의 실질적 크기가 줄어들고 전자기 복사가 감소됨에 따라 광도곡선의 초기 양상은 가파른 감소세를 보인다. B대에서 광도곡선은 계속 감소하는데, 약 40일이 지났을 때 가시 광도곡선에서는 작은 등성이 부분이 나타난다. 하지만 이것은 특정 전리중원소가 재결합하여 적외선 복사를 생성하고, 분출물들이 투명해지기 때문에 적외선 파장에서 일어나는 이차적 최댓값의 징후일 뿐이다. 가시광 광도곡선은 방사성 코발트의 감쇠율보다 감쇠율이 조금 더 커진 채로 계속 감소한다. 이것은 분출된 물질들이 보다 널리 퍼져서, 고에너지 복사를 가시광 복사로 전환시키는 능력이 떨어졌기 때문이다. 몇 개월이 더 지나면 남아있는 코발트 56의 양전자 방출이 두드러지면서 광도곡선의 감소율은 또다시 변화한다. 다만, 이 부분의 광도곡선에 대한 상세한 연구는 잘 이루어지지 않았다.

Ib형과 Ic형 초신성의 광도곡선은 기본적으로 Ia형과 비슷하지만 평균적인 최대 밝기가 Ia형보다 조금 낮다. 역시 가시광선 방출은 방사성 감쇠가 가시 복사로 전환됨으로 인한 것이지만, 이 유형의 초신성에서는 니켈 56의 질량이 훨씬 적다. 최대 밝기는 상당히 제각각이어, 가끔은 일반적인 것보다 몇 자릿수 단위로 더 밝거나 덜 밝은 Ib/c형 초신성도 있다. Ic형 초신성 중 가장 밝은 것을 극초신성이라 하며, 이것들은 최대 밝기가 큼과 함께 광도곡선의 너비도 넓은 경향이 있다. 추가적인 에너지원은 회전하는 블랙홀의 형성으로 인한 상대론적 제트로 생각되며, 이것으로 인해 감마선 폭발도 일어날 수 있다.

II형 초신성의 광도곡선은 밝기 감소가 하루당 0.05 등급으로, I형 초신성의 곡선보다 느리다는 점이 특징적이다. 이 값은 안정기 시기는 제외한 것이다. 수 개월 동안의 가시광 방출은 방사성 감쇠보다는 운동 에너지로, 그것은 주로 초거성 원형 별의 대기로부터 분출된 수소의 존재에 의한 것이다. 최초 폭발 때 이 수소가 뜨거워져 전리된다. 이 수소가 재결합하여 가시광선을 방출하고 보다 투명해짐으로 인해, 다수의 II형 초신성은 광도곡선에 오래 지속되는 안정기를 나타낸다. 그 뒤에는 방사성 감쇠를 통해 빛이 나는데, 수소를 통하여 빛으로 전환되는 효율로 인하여 I형 초신성보다 감소 속도가 느린 편이다.

II-L형 초신성은 그 원형 별의 대기중에 남은 수소가 상대적으로 적은 편이라서 안정기가 없다. II-L형 초신성의 수소는 스펙트럼상 검출될 만큼은 많지만, 빛 방출에서 눈에 띄는 안정기를 만들어낼 정도로 충분하지는 못하다. IIb형 초신성은 원형 별의 대기 중 수소가 너무 결손되어서 광도곡선이 I형 초신성의 그것에 가까우며, 심지어 몇 주가 지나면 스펙트럼상에서도 수소가 보이지 않게 된다.

IIn형 초신성은 별 주위 물질의 두터운 껍질로 인해 생성되는 좁은선이 특징적이다. IIn형 초신성의 광도곡선은 대체로 아주 넓게 늘어져 있으며, 가끔은 극도로 밝은 것이 있어 극초신성으로 불리기도 한다. 이 광도곡선은 분출물의 운동에너지가 주위 물질의 두터운 껍질과 상호작용하여 높은 효율로 전자기 복사로 전환되어 생성된 것이다. 이것은 그 물질이 충분히 두텁고 조밀할 때 일어나며, 그것은즉 물질 구름이 초신성이 폭발하기 불과 얼마 전에 원형 별에 의해 형성되었다는 것을 의미한다.

거리 측정용 촉광과 실험 모델을 생성하기 위하여 많은 수의 초신성들이 목록화되어 분류되었다. 평균적 특성은 거리와 모은하의 형태에 따라 다소의 차이가 존재하지만, 초신성의 유형에 따라 대략적으로 상술할 수 있다.
비고:

## 비대칭성
II형 초신성을 둘러싼 오래된 질문 하나는, 폭발 이후 남겨진 밀집성이 왜 매우 빠른 속도로 원래의 핵 위치에서 멀어지고 있냐는 것이다.

우선 이 비대칭성을 설명하는 한 가지 해석은 핵 위에서 일어나는 대규모의 대류이다. 대류로 인해 장소별로 원소의 존재비의 불균형이 발생할 수 있으며, 그 결과 중심핵 붕괴 때 핵연소가 고르지 않게 일어나고, 폭발로 인해 튕겨나가게 된다는 것이다.

또다른 해석으로는, 중앙의 중성자별에 대한 가스 강착이 원반을 형성하여 그로 인해 지향성 제트를 만들어내고, 그로 인하여 가로질러진 충격파가 별을 완전히 파괴한다는 것이 있다. 이 제트는 초신성 폭발을 일으키는 데도 결정적 역할을 할 가능성이 있다.

폭발 초기의 비대칭성은 Ia 초신성에서는 관측을 통하여 확실히 입증되었다. 이 결과는 어쩌면 Ia형 초신성의 초기 밝기가 그 초신성을 보는 각도에 따라 달라질 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만 시간이 지남에 따라서 폭발은 점점 대칭적으로 변한다. 초기의 비대칭성은 방출되는 빛의 편광을 분석함으로써 찾아낼 수 있다.

## 에너지 방출
초신성 하면 먼저 떠오르는 것은 매우 밝은, 눈에 보이는 사건이라는 것이지만, 초신성으로 인해 생성되는 전자기 복사는 폭발로 인한 부산물에 불과하다고 생각해도 될 정도이다. 특히 중심핵 붕괴 초신성의 경우, 방출되는 전자기 복사는 전체 에너지 중 아주 적은 부분을 차지할 뿐이다.

## 원형 별
초신성의 유형 분류는 폭발 당시 원형 별의 상태와 밀접한 관련이 있다. 각각의 초신성 유형의 발생은 금속성에 의해, 더 나아가서는 속해 있는 은하의 나이에 의해 결정된다.

Ia형 초신성은 쌍성계의 백색 왜성에서 일어나며, 모든 형태의 은하에서 발생한다. 중심핵 붕괴 초신성은 수명이 짧은 거대한 별에서 일어나기에, 항성 형성이 현재 일어나거나 또는 최근에 일어난 은하에서 발생한다. 이 초신성은 Sc 나선 은하에서 가장 흔하게 발견되나, 다른 나선 은하의 나선팔에서도 발견되며, 불규칙 은하, 특히 폭발적 항성생성 은하에서도 발견된다.

Ib형과 Ic형 및 II-L형 초신성, 그리고  IIn형 초신성의 대부분은 태양과 비슷한 수준의 금속성을 가진 별에서 일어나, 거대한 별에서 막대한 질량 손실을 일으킨다. 때문에 이 초신성들은 나이가 많고 멀리 떨어진 은하에서는 덜 흔하게 발생할 것이다. 이하 표는 중심핵 붕괴 초신성의 유형 중 주요한 것들의 추측되는 원형 별과, 또 우리 주변에서 각각의 근사적 비율을 정리한 것이다.