별의 에너지원과 내부 구조

 태양은 비교적 작은 별이지만, 중심부에서는 핵융합 반응으로 1초에 4 × 10의 26제곱 J의 에너지를 생성하고 있습니다. 우주 공간에는 태양처럼 스스로 빛을 내는 별들이 무수히 많이 존재합니다.

 

원시별의 에너지원

 

 우주 공간에서 별은 성간 기체의 밀도가 높고 온도가 낮을 때 탄생합니다. 성간 기체의 밀도가 높아야 서로 잡아당기는 중력이 크게 작용하여 뭉쳐질 수 있고, 온도는 낮아야 기체가 서로 밀어내는 압력이 낮아지기 때문입니다. 이렇게 기체압보다 중력이 크게 작용하는 곳에서는 분자 구름이 중력 수축을 하여 그 중심에서 원시별이 만들어집니다.

 

 주위의 물질이 계속하여 원시별로 떨어지면 질량이 증가하고 중심부의 온도가 계속 상승합니다. 이때 원시별 표면으로 떨어지는 물질의 위치 에너지가 열에너지와 운동 에너지로 바뀌며, 일부는 내부 에너지를 증가시키고 일부는 방출되어 원시별이 빛을 냅니다.

 

 원시별은 매우 빠르게 자전하고, 자전축을 따라 서로 반대 방향으로 가스가 뿜어져 나오는 제트를 발생시킵니다. 또한, 빠른 자전은 강한 자기장을 형성하고, 원시별 외곽의 가스 입자들을 밖으로 방출하는 항성풍을 일으킵니다.

 

주계열성의 에너지원

 

 원시별의 중력 수축 과정에서 중심부의 온도가 1000만 K 이상이 되면 수소가 융합하여 헬륨을 만드는 수소 핵융합 반응이 가능해집니다. 수소 핵융합 반응이 일어나 내부 온도가 상승하면 기체압이 커지고, 중력과 평형을 이루게 되면 별의 크기가 일정하게 유지되는 주계열성이 탄생하게 됩니다.

 

 별의 내부에서는 4개의 수소 원자핵이 1개의 헬륨 원자핵을 만드는 수소 핵융합 반응이 일어납니다. 이때 헬륨 원자핵의 질량은 수소 원자핵 4개 질량의 합보다 0.7% 정도 작은데, 이만큼의 질량이 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리의 관계에 따라 에너지로 전환됩니다.

 

 현재 태양에서 수소 핵융합 반응은 중심에서 15만 km 이내에서 일어나고 있고, 태양 질량의 10% 미만이 이 반응에 참여하고 있습니다. 태양이 수소 핵융합 반응을 통해 현재의 밝기로 빛날 수 있는 기간은 약 100억 년으로, 앞으로도 태양은 약 50억 년 동안 현재처럼 빛을 낼 수 있습니다.

 

별의 내부 구조

 

 별의 일생에서 대부분을 차지하는 주계열성은 일정한 크기를 유지하면서 안정적으로 빛을 냅니다. 이것은 주계열성의 내부에서 수축하려는 힘인 중력과 기체의 압력 구배에 의한 힘이 평형을 이루기 때문입니다. 이러한 상태를 정역학 평형이라고 합니다.

 

 주계열성 내부에서 수소 핵융합 반응이 계속되는 동안 헬륨으로 이루어진 중심핵이 점점 커집니다. 그러다가 중심부의 수소가 모두 소모되어 중심핵에서 일어나던 수소 핵융합 반응이 바깥층으로 이동하게 되면 별은 팽창하여 적색 거성으로 변합니다.

 

 이후 온도가 낮아지면 별의 중심부는 정역학 평형을 유지하기 위해 다시 중력 수축을 시작하고, 중심부 온도가 1억 K에 도달하면 이번에는 3개의 헬륨 핵이 융합하여 1개의 탄소를 만드는 헬륨 핵융합 반응이 일어납니다. 이 시기가 지나면 별의 중심부에 있는 헬륨도 모두 소진되고 탄소 핵이 남습니다.

 

 별의 중심부가 도달할 수 있는 온도는 별의 질량에 따라 달라지기 때문에 질량이 큰 별들은 초거성으로 진화하여 훨씬 다양한 원소를 만들어냅니다. 태양보다 약 10배 이상 무거운 별의 중심부에서는 핵융합 반응으로 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소가 차례로 생성되고, 중심부 온도가 30억 K 이상이면 궁극적으로 철까지 만들어져 양파 껍질 구조를 가지게 됩니다.

 

 별의 내부에서 생성된 에너지는 여러 가지 방식으로 바깥으로 전달됩니다. 하지만 별은 물질의 밀도가 매우 낮으므로 전도를 통한 에너지 전달은 거의 일어나지 않고 복사와 대류가 중요한 역할을 하게 됩니다.

 

 태양과 질량이 비슷한 별들은 중심부에서 생성된 에너지가 반지름의 70%에 이르는 거리까지 복사로 전달되고, 그 바깥으로는 대류로 표면까지 전달됩니다. 태양보다 질량이 매우 큰 별은 중심부와 표면의 온도 차이가 크므로 복사로는 에너지가 효과적으로 전달되기 어렵습니다. 따라서 중심부에서는 대류로 에너지가 전달되고 바깥층에서는 복사 형태로 에너지가 전달됩니다.

 

수소 핵융합 반응의 종류

 

 주계열성에서 일어나는 수소 핵융합 반응에는 양성자-양성자 반응(P-P 반응)과 탄소-질소-산소 순환 반응(CNO 순환 반응 또는 탄소 순환 반응)이 있습니다.

 

 양성자-양성자 반응은 4개의 수소 원자가 융합하여 1개의 헬륨 원자를 만드는 반응으로, 주로 질량이 태양과 비슷하거나 태양보다 작은 별에서 일어납니다.

 

 탄소-질소-산소 순환 반응은 탄소 원자를 포함한 별에서 수소 원자핵 4개의 핵융합 과정에 탄소가 촉매 작용을 하여 헬륨 원자핵을 만드는 반응입니다. 반응 과정에서 질소 핵과 산소 핵은 반응에 참여하여 탄소 핵을 생성하는 역할만을 하며, 반응의 결과는 양성자-양성자 반응과 같습니다. 이 반응은 태양보다 질량이 커서 중심부 온도가 1800만 K보다 높은 별에서 우세하게 나타납니다.