별의 탄생과 진화

별의 탄생 과정

 

 별은 절대 온도 10K 정도의 성간 물질이 밀집된 성간 분자 구름에서 수십만 년 내의 짧은 시간에 수천~수만 개씩 무리 지어 탄생합니다.

 

 밀도가 높고 온도가 낮은 분자 구름에서는 중력이 크게 작용하므로 물질들이 수축하여 중심핵을 이루게 되며, 점차 성장하여 원시별을 형성합니다.

 

 원시별은 주위 물질들을 끌어당겨 밀도가 점차 높아지고, 표면 온도가 상승하여 1000K에 이르면 서서히 빛을 내기 시작하는데, 이 단계를 전주계열 단계라고 합니다.

 

 대규모의 성간 분자 구름에서 별들이 동시에 태어날 때 질량이 0.1M⊙~1.0M⊙ 정도인 별이 가장 많으며, 태양 질량의 0.08배에서 100배 정도까지가 한계인 것으로 알려져 있습니다.

 

 태양 질량의 0.08배 이하로 태어난 별은 중심부에서 수소 핵융합 반응이 일어날 수 있는 임계 온도인 1000만 K에 도달할 수 없는 갈색 왜성이 됩니다. 갈색 왜성은 내부의 열에너지를 주로 적외선 형태로 방출하므로 붉은색을 띠는데, 시간이 지남에 따라 더욱 어두워집니다.

 

주계열 단계

 

 전주계열 단계에서 중력 수축으로 중심부 온도가 1000만 K에 이르면 수소 핵융합 반응이 일어납니다. 수소 핵융합 반응이 일어나 내부 온도가 상승하면 압력이 커지고, 별 내부의 압력 구배가 중력과 평형을 이루게 되면 별의 반지름이 일정하게 유지됩니다. 이 단계를 주계열 단계라고 합니다.

 

 주계열성은 수소 핵융합 반응을 하므로 주계열성으로서 수명은 핵융합 반응의 재료인 수소의 양과 단위 시간당 핵융합 반응으로 소모되는 수소의 양에 따라 정해집니다. 단위 시간당 일어나는 핵융합 반응이 곧 별의 광도 또는 실제 밝기입니다. 항성의 주성분이 수소이고, 단위 시간당 일어나는 핵융합 반응을 결정하는 요소 역시 항성의 질량이기 때문에 항성이 주계열 단계에 머무르는 시간은 항성의 질량에 따라 결정됩니다.

 

 무거운 항성일수록 갖고 있는 수소의 양에 비해 핵융합 반응이 매우 빠르게 일어나기 때문에 무거운 별일수록 훨씬 밝고 표면 온도가 높으며 주계열에 머무는 기간이 짧아집니다.

 

 별은 일생의 대부분을 주계열 단계에서 보냅니다. 따라서 밤하늘에서 관측되는 별 중에는 주계열성이 대부분을 차지합니다.

 

주계열 이후의 단계

 

 태양과 질량이 비슷한 주계열성은 중심부에서 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합 반응으로 빛을 냅니다. 그런데 중심부의 수소가 소진되면 수소 핵융합 반응이 끝나고 헬륨으로 이루어진 중심핵이 수축하기 시작합니다. 이 과정에서 수축으로 발생한 열에너지가 바깥으로 전달되어 헬륨 핵을 둘러싼 수소층의 온도가 상승하면 바깥층에서 수소 핵융합 반응이 빠르게 진행됩니다. 따라서 중심핵은 수축하지만 바깥 부분은 팽창하게 되고, 별은 점점 커지면서 밝아지지만 표면 온도는 낮아 붉은색을 띠는 적색 거성이 됩니다.

 

 태양은 주계열 단계를 벗어나면 적색 거성으로 진화합니다. 그리고 이 시기를 약 10억 년 동안 지속하면서 지금보다 100배 이상 커지고 1000배 이상 밝아질 것으로 예상됩니다. 질량이 매우 큰 별의 경우 주계열 단계를 벗어나면 태양보다 1000배 이상 커지고 수십만 배 밝아지는데, 이런 별들을 초거성이라고 합니다.

 

 질량이 태양 정도인 별이 진화하여 적생 거성이 되면 헬륨 핵융합 반응이 일어나 중심부에 탄소가 만들어집니다. 하지만 이후에 중심부에서 더 이상 핵융합 반응을 할 수 없게 되면 중심핵은 계속 수축하여 밀도가 매우 높은 백색 왜성이 됩니다. 백색왜성은 표면 온도가 높아서 흰색으로 보이기는 하지만, 별의 크기는 작아서 매우 어둡습니다. 이때 별의 바깥 부분은 팽창하여 물질을 우주로 방출하는데, 중심의 백색 왜성으로부터 받은 에너지 때문에 빛을 내는 행성상 성운으로 관측됩니다.

 

 한편, 질량이 아주 큰 별은 중심부에서 핵융합 반응을 통해 헬륨, 탄소, 네온, 산소, 규소, 철이 차례대로 생성됩니다. 중심핵이 철로 이루어진 별은 자신의 무게를 감당하지 못하여 함몰하게 되고, 중심부에서 강력한 충격이 발생하여 별의 외곽 부분을 빠른 속력으로 밀어내며 거대한 폭발을 일으켜 초신성이 됩니다. 초신성은 태양보다 수억 배 밝게 빛나서 외부 은하에서도 관측되며 은하 전체의 밝기와 비슷한 정도로 빛납니다. 또, 초신성이 폭발하면서 별 내부의 물질들이 우주 공간으로 흩뿌려지고 철보다 무거운 원소들이 형성됩니다.

 

 초신성이 폭발한 후 중심에 남아 있는 중성자 덩어리를 중성자별이라고 합니다. 특히 남겨진 중심핵의 질량이 태양 질량의 3배 이상이면 중력 수축이 계속 일어나 밀도와 중력이 매우 커져서 빛조차 빠져나갈 수 없는 블랙홀이 됩니다.

 

 별은 마지막 단계인 행성상 성운이나 초신성 폭발 과정을 거쳐 자신이 가지고 있던 물질의 대부분을 우주 공간으로 방출합니다. 그리고 이러한 물질이 모여 이루어진 성간운에서는 다시 새로운 별이 탄생합니다. 이처럼 별의 탄생과 진화 과정은 계속해서 이어지는 순환의 과정이라고 할 수 있습니다.