별의 탄생과 진화

별의 탄생과 진화에 대해 알아보겠습니다.

 

 

핵융합 반응

별의 탄생과 진화과정에는 핵융합 반응이 필수입니다. 핵융합 반응이란 수소, 헬륨같이 간단한 원소로부터 복잡하고 무거운 원자들이 만들어지는 과정을 말합니다. 우주에는 수많은 별들이 존재하는데 별이 탄생하고 진화하는 과정에서 새로운 원소들이 만들어집니다. 대표적인 별에는 우리가 잘 알고있는 태양과 나이가 어리고 푸른 빛을 띠는 시리우스(Sirius)가 있고, 나이가 많고 붉은 빛을 띠는 베텔게우스(Betelgeuse) 등이 있습니다.

 

중력과 내부압력

본격적으로 별의 진화 과정에 알아보기 전에, 별에 작용하는 두 가지 힘에 대해 먼저 알아보는 것이 좋을 것 같은데요. 별에는 서로 반대 방향으로 작용하는 두 가지 힘이 존재합니다. 중력과 내부압력이 그것인데요. 중력은 별의 중심부를 향해 끌어당기는 힘으로 안으로 수축하려는 힘입니다. 중력은 질량을 가지고 있는 모든 물체라면 모두가 가지고 있는 힘입니다. 중력은 질량에 비례하는데, 일반적인 생명체는 전우주적 관점에서 질량이 매우 작은 물체이기 때문에 중력도 매우 약합니다. 하지만 지구나 태양과 같이 질량이 큰 물체는 그만큼 중력도 강하기 때문에 지구상의 모든 생명체들이 중력에 의해서 땅에 붙어 살 수있는 것입니다. 일반적으로 별은 질량이 크기 때문에 강한 중력을 가지고 있습니다. 별이 중력에 의해서 안으로 수축하게 되면 열이 발생하면서 온도가 높아집니다. 온도가 높아지면 별의 중심부에서는 핵융합 반응이 일어나게 됩니다. 핵융합 반응이 일어나면 내부 압력이라는 힘이 발생하는데, 내부 압력은 밖으로 팽창하려는 힘입니다. 안으로 수축하려는 중력, 밖으로 팽창하려는 내부압력. 별에 작용하는 이 두 가지 힘을 기억하시고, 지금부터 별의 탄생부터 진화 과정을 살펴보도록 하겠습니다.

 

성간물질과 성운

우주에는 성간 물질이라고 하는 작은 물질들이 존재합니다. 성간 물질은 기체나 먼지 덩어리인데 우주에는 수소와 헬륨이 풍부하기때문에 성간 물질의 대부분은 수소와 헬륨으로 이루어져있습니다. 그런데 성간 물질이 우주 전체에 모두 고르게 분포하는 것은 아닙니다. 특정 부분들에 밀집된 곳이 생기는데 성간 물질이 많이 모여 있는 곳은 그만큼 밀도가 높다는 뜻입니다. 밀도가 높다는 것은 물질들이 빽빽하게 모여 있다는 것, 이 말을 조금 더 세련되게 표현하면 단위부피 당 질량이 크다는 것입니다. 별에 작용하는 두 가지 힘인 중력과 내부압력을 설명할 때 말씀드렸듯이, 성간 물질이 많이 모이게 되어 특정 부분의 밀도가 커지면(즉 질량이 증가하게 되면) 그만큼 중력도 강합니다. 중력으로 주변에 있는 더 많은 성간 물질을 끌어당기면 마치 구름과 같은 형태가 되는데 이것을 가스 구름이라고합니다. 가스 구름 안에서도 성간 물질의 밀도가 높은 부분들은 중력으로 계속 수축하는데, 이렇게 해서 만들어진 것을 성운이라고 합니다. 대표적인 성운으로는 말머리 성운과 장미 성운이 있습니다.

 

원시별

다시 한번 이 성운 내부에서도 다른 곳보다 성간 물질이 더 많이 밀집되어있는 곳에서는 중력으로 성간 물질을 더 끌어 모으게 되고, 이렇게 성간 물질을 계속해서 끌어 모으다 보면 점점 뜨거워지면서 밝은 빛을 내게되는데 이것을 원시 별이라고 합니다. 원시 별의 단계에서는 중력에 의해 뭉쳐지고 수축하는 상태일 뿐 이 안에서 핵융합 반응까지 일어나지는 않습니다. 원시 별의 상태에서 온도가 점차 높아져야만 비로소 핵융합 반응이 일어나서 별이 되는데요. 이렇게 성운에서는 곳곳에서 수 많은 별들이 탄생하고 있어 성운을 별들의 요람이라 표현하기도 합니다. 원시 별이 중력으로 성간 물질을 끌어 모으면서 온도가 점점 올라가다가 약 1000만 켈빈 이상의 온도가 되면 드디어 원시별 중심부에서 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 별이 됩니다.

 

주계열성

별의 대부분은 수소로 이루어져 있습니다.(별의 재료인 성간물질이 대부분 수소와 헬륨으로 이루어져있기 때문입니다.) 수소 핵융합은 양성자 1개로 이루어진 수소의 원자핵이 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨 원자핵을 만들게 됩니다. 이렇게 수소의 핵융합 반응이 일어나는 별을 주계열성이라고 합니다. 대표적으로 태양이 이 주계열성 단계에 있는 별입니다. 주계열성에서는 수소의 핵융합 반응이 일어날수록 별의 중심부가 헬륨으로 바뀌게 됩니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이므로 수소의 핵융합 반응이 매우 길게 일어나기 때문에 대부분의 별은 이 주계열성 단계에서 굉장히 긴 시간을 보냅니다. 또한 주계열성 단계에서는 중력뿐만아니라 핵융합 반응으로 에너지가 방출되면서 바깥으로 팽창하려는 내부 압력이 함께 존재하게 되는데요. 중력과 내부 압력의 세기가 동일해서 주계열성은 수축하거나 팽창하지 않고 계속 일정한 크기를 유지하려는 특성을 갖고 있습니다.

 

주계열성이 오랜 기간동안 수소 핵융합 반응을 통해 중심부에 있는 수소를 다 써버리면 중심부에 있던 수소들은 모두 헬륨으로 변합니다. 바깥에 있는 수소는 온도가 낮아서 핵융합 반응이 일어날 수 없고, 중심부는 온도는 높지만 수소를 다 써버린 상태입니다. 그렇다고 헬륨으로 새로운 핵융합 반응이 일어나기에는 여기도 온도가 충분하지 않아서 더이상 이 단계에서의 주계열성에서는 핵융합 반응이 일어나지 않게 됩니다. 핵융합 반응이 멈추면 더 이상 방출할 수 있는 에너지도 없어서 바깥으로 팽창하려는 내부 압력이 줄어들게 되고 안으로 수축하려는 중력이 점차 우세해집니다. 주계열성은 중력으로 중심부가 점점 수축하는데, 아이러니하게도 중심부가 수축할수록 열이 발생하여 온도가 점점 높아 지다가 1억 켈빈 이상의 온도가 되면 비로소 헬륨의 핵융합 반응이 일어날 수 있는 온도가 되어 다시 중심부에서는 핵융합 반응이 일어나게 됩니다.

 

적색 거성

헬륨으로 핵융합 반응을 할 수 있게된 주계열성은 적색 거성이라는 단계로 진화합니다. 헬륨으로 핵융합 반응을 하는 적색 거성은 헬륨으로부터 탄소를 만듭니다. 그런데 여기서 특이한 일이 발생하게되는데요. 중심부에서 1억 켈빈의 온도가 되면서 바깥쪽에 있는 수소와 중심부의 헬륨이 맞닿아있는 부분의 온도도 함께 올라 가게되어 이 부분에서 수소의 핵융합 반응이 다시 일어납니다. 바깥쪽에서 일어나는 수소의 핵융합 반응으로 인해 내부 압력이 크게 증가하게 되어 수소층이 크게 팽창하면서 별의 크기 또한 매우 커지게 되는데, 이렇게 주계열성에서 팽창하여 진화한 별을 적색 거성이라 부릅니다. 도입부에서 말씀드렸던 태양과 시리우스가 주계열성이고 베텔게우스가 적색 거성입니다.

 

적색 거성의 중심부에서는 헬륨의 핵융합 반응으로 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어진 헬륨의 원자핵에서 양성자 6개와 중성자 6개로 만들어진 탄소 원자핵이 만들어집니다. 적색 거성이 되면서 질량이 커진 만큼 중심부는 더 강한 중력으로 인해 수축하면서 온도가 높아지고 바깥 층은 수소의 핵융합 반응으로 인해 에너지가 방출되어 점점 더 팽창합니다. 주계열성 단계에서도 그랬듯이, 오랜 시간이 지나 적색 거성도 중심부에 있는 헬륨을 다 써버리면 핵융합 반응이 멈추게 됩니다. 적색 거성은 이제 별의 마지막 단계로 다가가고 있습니다.

 

백색 왜성

헬륨이 모두 소진된 후의 적색 거성은 어떤 모습으로 최후를 맞이하게 될까요? 핵융합 반응을 멈춘 적색 거성은 중심부가 매우 수축해서 하나의 점과 같이 작아진 백색 왜성이 되고, 팽창할 대로 팽창한 주변부는 행성상 성운이 됩니다. 망원경으로 관측했을 때는 정말 아름다워 보이지만 사실 별은 이제 죽음을 맞이한 것이나 다름 없습니다. 이후에 백색 왜성은 질량이 너무 작아져 더 이상 중력에 의해 수축하지 못하고 핵융합 또한 일어나지 못하므로 온도가 점점 낮아집니다. 시간이 지나 온도가 낮아진 백색 왜성은 흑색 왜성이 되어 어두운 우주에서 더이상 관찰할 수 없게 됩니다. 바깥에 있는 행성상 성운은 점차 우주로 퍼지면서 다시 우주를 떠돌아다니는 성간 물질로 되돌아 가게 되면서 별의 일생은 이렇게 마무리가 됩니다.

 

초거성

태양과 비슷한 질량을 가진 별들은 주계열성 → 적색 거성 →  백색 왜성(행성상 성운) →  성간 물질의 단계를 거칩니다. 그런데 태양보다 질량이 10배 이상 큰 별의 경우에는 주계열성에서 적색 거성 아닌 그 보다 더 큰 별인 초거성이 됩니다. 초거성도 적색 거성과 같은 원리로 수소층이 팽창하여 만들어진 것입니다. 단지 질량이 태양보다 훨씬 큰 별일수록 이 핵융합 반응도 더 활발하게 일어나기 때문에, 수소층이 더 팽창하여 적색 거성보다도 더 큰 초거성이 되는 것입니다.

 

적색 거성은 헬륨이 모두 소진되면 더 이상 핵융합 반응을 일으킬 만큼의 온도가 되지 못해서 백색 왜성과 행성상 성운이 되어 죽음을 맞이하는데, 태양보다 질량이 10배 이상 큰 별의 경우에는 헬륨이 소진된 이후에도 중심부의 온도가 여전히 높아서 또 다른 핵융합 반응이 계속 일어나게 됩니다. 탄소에서 핵융합이 계속 일어나면 산소 → 규소 → 철 등의 원소가 만들어지는 핵융합 반응이 차례로 일어납니다. 다만 철이 핵융합 반응을 일으키는 데에는 굉장히 높은 온도가 필요해서 철이 만들어진 이후에는 핵융합 반응이 멈추게 됩니다.

 

초신성 폭발

마찬가지로 핵융합 반응이 멈추면 더 이상 팽창하는 힘이 발생하지 않게 되고 중력에 의해서 급격하게 수축하다가 결국 매우 밝은 빛을 내면서 폭발하게 되는데, 이를 초신성 폭발이라합니다. 이 때, 폭발과 함께 엄청난 양의 에너지가 발생하면서 단 몇 초만에 핵융합 반응이 한꺼번에 일어납니다. 초거성 단계에서 만들어졌던 철에서 더 무거운 원소인 구리, 금, 납, 우라늄 등이 한꺼번에 만들어집니다.

 

중성자별과 블랙홀

폭발 후에 중심부는 더 강한 중력으로 계속 수축하여 크기는 작지만 밀도가 매우 높은 중성자 별이 되거나 중력이 아주 아주 강해서 주변에 빛조차도 빠져나오지 못하는 블랙홀이 됩니다. 초신성 폭발로 나머지 잔해들은 우주를 떠다니는 성간 물질이 되어 새로운 별이 탄생하는 재료가 되는데 이런 과정으로 별의 탄생과 진화가 거듭될수록 성간 물질 안에는 철, 구리, 금, 납, 우라늄 등의 무거운 원소들의 비율이 늘어나게 되는 것입니다

 

정리

태양과 비슷한 질량의 별

주계열성 → 적색 거성 →  백색 왜성(행성상 성운) → 중심부는 흑색왜성 / 나머지는 성간 물질

태양보다 10배이상 무거운 별

주계열성 → 초거성 → 초신성 폭발 → 중심부는 중성자별 또는 블랙홀 / 나머지는 성간 물질