별 : 탄생부터 죽음까지

<EVGENIA :고귀함의 라틴어>

 

1. 분자 구름의 생성

분자 구름은 우주에서 발생한 작은 불규칙성, 충돌, 혹은 초신성 폭발과 같은 사건들이 어두운 우주의 냉각한 지역에서 형성된다. 이런 지역에서는 수소 원자와 헬륨 등이 냉각되어 중성 원자와 분자로 결합하면서 분자 구름이 형성된다. 중력의 작용으로 구름은 더욱 밀도가 높아져 압축된다. 분자 구름은 주로 수소 분자와 헬륨, 그리고 미량의 다양한 분자 및 먼지로 구성되어 있다. 여기에는 수소와 헬륨이 주를 이루며, 냉각된 우주 공간에서 발생한 이 구름 내에서 다양한 분자들이 형성될 수 있다. 구체적으로는 수소 원자들이 결합하여 수소 분자를 이루고, 이와 함께 수소와 헬륨 외에도 암모니아, 메탄, 에타인, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 등 다양한 분자들이 존재할 수 있다. 또한, 먼지 입자들도 존재하여 전체적으로 구름 내에서는 다양한 화합물들이 형성되어 있다.

 

2. 중력 수축과 회전

충분한 물질을 포함한 분자 구름은 중력에 의해 수축하면서 압축된다. 이에 따라 중심 부분에서는 온도와 압력이 증가하며, 핵융합의 조건이 형성된다. 동시에 초기 구름은 약간의 각운동량을 가지고 있어 중심 부분이 회전하면서 각운동량이 보존된다. 이러한 회전은 중심 부분에서의 물질이 원반 형태로 누적되도록 유도한다.

 

3. 원반 형성과 행성의 형성

중심 부분의 회전으로 원반이 형성되면서, 원반 안의 먼지와 가스는 서로 충돌하면서 응집된다. 작은 입자들이 결합하여 더 큰 덩어리로 성장하고, 중력에 의해 계속 성장하면서 행성으로 진화한다. 이 과정에서 각 행성은 원반 내에서 자신만의 궤도를 형성한다.

 

4. 행성의 형성 과정

행성의 형성은 원반 안에서 먼지와 가스의 충돌과 응집으로 진행된다. 작은 입자들이 결합하여 더 큰 덩어리로 성장하고, 중력에 의해 계속 성장하면서 행성이 형성된다. 중력은 행성을 더욱 성장시키는 역할을 합니다. 최종적으로 원반에서 형성된 행성들은 각자의 궤도를 돌며 성곽을 형성합니다. 태양계의 경우에는 무거운 입자들은 태양의 안쪽에 위치하여 각각 수성, 금성, 지구, 화성을 만들었다. 반면에 가벼운 입자들은 회전 시 중심으로부터 멀리 위치하게 되어 각각 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 구성했다. 무거운 입자는 주로 금속 성분 또는 규산염 성분이 주를 이루었으며, 가벼운 입자는 주로 수소와 헬륨이 주를 이루었다. 따라서 태양계에서 무거운 입자가 주로 포함되어 있는 수성, 금성, 지구, 화성을 지구형 행성이라고 부르며 상대적으로 가벼운 입자가 주를 이루는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성을 목성형 행성이라 칭한다.

 

5. 핵융합과 별의 표면온도

별의 핵융합은 중심 부분에서 수소가 헬륨으로 합쳐지면서 발생한다. 이 핵융합은 엄청난 열과 빛을 방출하며, 별의 표면온도는 핵융합 활동으로 결정된다. 높은 온도의 별은 파란색을 나타내고, 낮은 온도의 별은 빨간색을 갖는다. 이러한 특성은 별의 스펙트럼을 통해 관측됩니다.

 

6. 진화 단계

질량이 태양과 비슷한 주계열성은 수소 핵융합 반응으로 중심핵의 수소가 감소하고 헬륨이 증가한다. 이때 중심핵의 수소가 고갈되어 수소 핵융합의 반응이 멈추면 중심핵의 온도가 낮아져 내부의 압력이 감소하게 된다. 따라서 내부의 압력이 감소함에 따라 내부 압력 경사에 의한 힘이 줄어들게 된다. 힘이 줄어들게 되므로 중력과의 힘의 평형은 깨지게 되며 헬륨으로 이루어진 중심핵은 수축하게 된다. 중심핵이 수축할 때 발생한 열에너지는 중심핵을 둘러싸고 있는 외각으로 전달되어 핵 외부에서 핵융합이 일어나게 되며 층을 이룬다. 핵융합으로 인해 별이 팽창하면서 광도는 증가하고 표면온도는 낮아진다.

 

한편, 핵에서는 계속 중력 수축이 일어나게 되는데, 중력 수축이 일어나면서 고온 고압 상태가 만들어지며 헬륨이 핵융합될 조건이 형성된다. 별의 중심에서 헬륨 핵융합이 일어나면 열이 전달되어 별은 더욱 팽창하게 되면서 광도가 많이 증가한다. 하지만 별이 팽창하면서 표면온도는 낮아지게 되는데, 이 때문에 별의 표면은 점점 붉은 빛을 띠게 된다. 따라서 이때의 별을 우리는 적색 거성이라고 부른다. 태양이 적색 거성이 된다면 그 크기는 지구가 있는 궤도면까지 부피가 증가할 것이다.

 

이때 헬륨 핵융합이 끝나면 앞선 과정과 마찬가지로 중심은 수축하게 된다. 또한 마찬가지로 중력수축으로 인한 열 때문에 외곽은 팽창하게 된다. 하지만 그 이후 핵융합은 거의 일어나지 않기 때문에 외곽은 팽창과 수축을 반복하다 결국 우주공간으로 방출되게 된다. 그리고 이것을 우리는 행성상 성운이라고 부른다. 하지만 계속 중력수축을 하던 별의 중심부는 계속 수축하여 밀도가 매우 큰 백색 왜성이 된다. 백색왜성의 밀도는 지구의 평균 밀도의 수백 배에서 수천 배 높은 값이라고 한다. 별이 지구 크기까지 수축한다고 하니 약 수천 배가 된다.

 

그렇다면 태양보다 질량이 큰 별들의 진화 과정에 대해서 알아보자. 주계열성 단계에서 질량이 큰 별들은 질량이 큰 만큼 수소의 소모가 매우 빠르므로 주계열성에 있는 시간이 작다. 앞서 이야기한 적색거성과 원리는 비슷하게 별이 팽창을 시작한다. 하지만 태양보다 질량이 비슷한 별과 다르게 태양보다 질량이 큰 별은 헬륨 핵융합반응이 일어날 뿐만 아니라 더 무거운 원소들이 핵융합 반응이 일어난다. 예로 탄소와 산소가 핵융합하여 네온, 마그네슘 등의 원소가 생성되며 산소, 네온, 마그네슘이 규소와 황을 만들어낸다. 마지막으로 규소와 황이 철을 만들어낸다. 하지만 철보다 무거운 원소는 핵융합에서는 만들어지지 않는다. 앞서 이야기한 핵융합들이 별 내부에 양파 껍질처럼 구성이 되어있다. 이 거성들은 태양과 비슷한 질량을 가진 별들이 거성이 될 때보다 훨씬 커지기 때문에 우리는 이것을 초거성이라고 부른다. 그리고 이 이후는 행성상 성운이 아니라 초신성 폭발을 하며 이때 철보다 무거운 원소가 만들어지게 된다. 중심부는 블랙홀 또는 중성자별이 된다.