별의 탄생과 죽음

1. 별의 형성

 

별은 성간물질에서 중력 붕괴(gravitational collapse)를 통해 형성됩니다. 우주 공간의 충격파(예: 초신성 폭발)나 근처의 강한 복사압(예: 뜨거운 별에서 나오는 빛)에 의해 분자 구름이 압축됩니다. 압축되면 밀도가 증가하고, 중력이 우세해지면서 구름이 스스로 붕괴하기 시작합니다. 구름의 밀도가 점점 증가하면서 중심부가 수축하고 뜨거워집니다. 이때 가스가 회전하며 원반 형태를 이루고, 중심부에 별의 씨앗인 원시성(proto-star)이 형성됩니다. 원시성의 중심 온도가 약 1000만 K에 도달하면, 수소 원자가 핵융합 반응을 일으켜 헬륨으로 변환됩니다. 핵융합으로 에너지를 방출하며, 별이 주계열성 단계에 진입합니다.

2. 별의 일생

별의 수명은 질량에 따라 크게 달라집니다. 질량이 큰 별일수록 연료를 빠르게 소모하여 짧은 수명을 가지며, 작은 별은 천천히 연료를 태워 오래 지속됩니다.

 

적색 왜성은 태양 질량의 0.08~0.5배 정도로, 아주 질량이 작습니다. 별의 질량이 작을수록 중력으로 인해 별의 중심부에 가해지는 압력과 온도가 낮아집니다. 별은 중심부에서 수소 원자핵이 융합하여 헬륨을 만드는 핵융합 반응으로 에너지를 생성합니다. 적색 왜성은 중심부 온도가 상대적으로 낮아 핵융합 반응이 느리게 진행됩니다. 온도가 낮으면 수소 원자핵이 서로 가까이 다가갈 확률이 줄어들기 때문입니다. 즉, 에너지 생성 속도가 느리고 연료(수소)를 천천히 소모합니다. 적색 왜성은 핵융합 반응이 느리게 진행되기 때문에 에너지를 아주 효율적으로 사용합니다. 태양과 같은 별은 중심부에서만 수소를 태우지만, 적색 왜성은 내부 전체에서 균일하게 연료를 소모할 수 있어 연료를 더 오래 유지합니다. 이러한 특성 때문에 적색 왜성의 수명은 수백억 년에서 수조 년에 이르기도 합니다. 태양의 수명(약 100억 년)과 비교하면 훨씬 깁니다.

 

태양 질량의 0.5~8배에 해당하는 별을 중간질량별이라고 합니다. 이 범위의 별들은 저질량 별(적색왜성)보다 에너지를 빠르게 생성하지만, 고질량 별(초거성)만큼은 아닙니다. 태양도 중간질량별에 속합니다. 중간질량별은 주계열성 단계에서부터 백색왜성으로 끝나는 일련의 과정을 거칩니다. 별의 중심부에서 수소 핵융합이 일어나며, 지속적으로 빛과 에너지를 방출합니다. 핵융합 반응으로 생긴 복사압이 별의 중력과 균형을 이루어 별은 안정적으로 빛납니다. 이 단계는 중간질량별 수명 중 가장 긴 기간이며, 태양의 경우 약 100억 년 동안 유지됩니다. 주계열성 단계가 끝나면, 중심부의 수소가 모두 소모되고 핵융합을 멈춥니다. 중심부는 중력으로 인해 급격히 수축하고, 외곽층은 팽창합니다. 팽창한 별은 온도가 낮아 붉게 보이며, 크기가 매우 커져 적색거성이 됩니다. 태양이 적색거성이 되면, 외곽층이 지구 궤도까지 팽창할 수 있습니다. 적색거성 단계에서 별의 중심부 온도가 충분히 상승하면, 헬륨 핵융합이 시작됩니다. 헬륨은 핵융합을 통해 탄소와 산소로 변환됩니다. 적색거성이 마지막 핵융합 단계에 도달하면, 외곽층이 우주로 방출됩니다. 이 방출된 물질은 형형색색의 가스 구름 형태로 퍼지며, 이를 행성상 성운이라고 부릅니다. 중심부에는 더 이상 핵융합이 일어나지 않고, 별의 잔해인 백색왜성이 남습니다. 백색왜성은 별의 중심부 물질이 중력으로 압축된 매우 밀도가 높은 상태입니다. 시간이 지나면 점차 식어 검은 왜성이 되지만, 우주의 시간 척도로는 아직 관측되지 않았습니다. 중간질량별은 저질량 별보다 연료를 빠르게 소모하지만, 고질량 별보다 천천히 소모합니다. 수명은 질량에 따라 다르며, 태양과 같은 별은 약 100억 년의 수명을 가집니다. 중간질량별은 우주에서 중요한 역할을 합니다. 생명체가 존재할 수 있는 행성을 형성하고 온도를 유지하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 헬륨 융합 과정에서 탄소와 산소 같은 원소가 생성되며, 이는 생명체의 기본 재료가 됩니다. 행성상 성운으로 방출된 물질은 새로운 별과 행성을 형성하는 재료가 됩니다.

 

태양 질량의 8배 이상인 별을 고질량 별이라고 합니다. 이러한 별들은 핵융합 반응이 매우 빠르게 진행되어, 수명이 짧지만 강력한 에너지를 방출합니다. 우주의 거대한 현상, 예를 들어 초신성 폭발과 블랙홀의 형성에 큰 영향을 미칩니다. 고질량 별은 중심에서 수소 핵융합을 통해 헬륨을 생성하며 안정적인 빛을 방출합니다. 앞에서 살펴본 바와 같이 주계열성 단계입니다. 그러나 중심 온도가 매우 높아 핵융합이 빠르게 진행되기 때문에, 주계열성 단계는 수백 수천만 년 정도로 짧습니다. 중심부의 수소가 고갈되면, 고질량 별은 빠르게 적색 또는 청색 초거성 단계로 진입합니다. 이 단계에서 헬륨이 핵융합되어 탄소, 산소, 네온 등 무거운 원소로 변환됩니다. 고질량 별은 매우 밝고 불안정한 상태가 되며, 바깥층에서 물질을 방출하기도 합니다. 초거성 단계에서 점점 무거운 원소를 생성하다가 마지막에는 중심부에 철(Fe)이 형성됩니다. 철은 핵융합 반응을 통해 에너지를 생성할 수 없는 원소이므로, 중심부가 더 이상 에너지를 방출하지 못합니다. 중심부의 에너지가 사라지면 중력이 중심을 급격히 압축하며 별이 폭발합니다. 이 폭발을 초신성(supernova)이라고 부르며, 폭발 과정에서 어마어마한 에너지가 방출됩니다. 초신성은 새로운 무거운 원소들을 우주에 퍼뜨리며, 새로운 별과 행성의 재료가 됩니다. 초신성 폭발 이후, 고질량 별의 잔해는 질량에 따라 두 가지 형태로 남습니다. 먼저, 별의 중심부가 강하게 압축되어 중성자로 이루어진 중성자별이 형성됩니다. 중성자별은 매우 작고 밀도가 높으며, 강한 자기장을 가질 수 있습니다. 만약 별의 질량이 태양의 약 20배 이상이라면, 중심부가 중력에 의해 무한히 압축되어 블랙홀이 형성됩니다. 고질량 별은 우주에 금, 철, 우라늄과 같은 무거운 원소를 생성해 퍼뜨립니다. 이 원소들은 행성, 생명체, 그리고 다양한 우주 구조 형성의 재료가 됩니다. 초신성 폭발로 방출된 물질은 새로운 별과 행성을 형성하는 데 사용됩니다. 초신성 폭발은 우주에 강력한 방사선과 에너지를 방출하여 주위 환경에 영향을 미칩니다. 고질량 별의 예시로 베텔게우스가 있습니다. 적색 초거성으로, 수명이 거의 다해 초신성 폭발 직전에 있는 별입니다. 또, 리겔이 있습니다. 매우 밝고 뜨거운 별입니다. 큰개자리 VY는 지금까지 발견된 가장 큰 별 중 하나로, 적색 초거성입니다.

3. 별의 의미

지구와 우리 자신도 별의 일생과 깊은 연관이 있습니다. 우리의 몸을 구성하는 원소 중 많은 부분은 과거 별이 폭발하며 만들어진 것입니다. 별의 형성과 죽음은 우주의 진화를 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 별은 우주의 빛과 에너지를 제공하며, 생명과 물질의 순환을 가능하게 합니다. 별의 일생을 이해하는 것은 곧 우주와 우리의 기원을 탐구하는 일과 같습니다. 이러한 과정은 끝이 아닌 새로운 시작을 의미하며, 우주는 이렇게 끊임없이 변화하고 있습니다.