항성의 진화

 

별은 성간물질 중에서도 성간분자운에서 태어난다. 성간티끌과 분자들이 많이 모여있는 거대 성간분자운은 별빛을 차폐시켜 밤하늘에서 암흑성운의 형태로 나타나므로 흔히 암흑성운을 별들의 고향이라고 부른다. 흔히 초신성 폭발에 의한 초기 요동에 의해 성간분자운이 뭉쳐지며 별들이 만들어 진다고 생각되며, 충격파는 지속적으로 분자운을 지나가며 성협을 만든다. OB성협과 같은 것들이 거대 분자운에서 만들어진다.

 

 

성간운은 회전하며 질량중심으로 수축을 하게 된다. 중심에 가까운 물질은 빨리 수축하여 중심핵을 형성하는 데 이상태를 원시성이라고 한다. 이 단계에서 외곽부는 수축에 의해 잃은 중력 퍼텐셜에너지가 열에너지로 전환되어 복사를 내놓게 되는데 밀도가 낮아 복사에너지는 대부분 외부로 빠져나가므로 비교적 온도가 일정하게 유지되며 자유낙하에 가까운 운동을 한다. 중심부에서는 밀도가 높아지며 불투명도가 증가하므로 온도가 계속적으로 상승하게 된다. 한편 회전에 의한 원심력 때문에 원시성의 주변으로는 원반이 생긴다. 이는 회전축에 수직한 방향으로 원심력이 작용하여 적도 부근에서 중력과 원심력이 평형을 이루기 때문이며, 이 원반은 후에 행성으로 발전할 가능성이 있다. 수축하는 원시성운의 자기선속과 각운동량은 유지되어야 하므로 원시성의 회전속도과 자기장이 굉장히 커져야 하나 자기장을 따라 물질이 유출되며 상당량의 각운동량과 자기장을 외부로 방출시킨다.

 

 원시성이 수축을 계속하며 온도가 올라가면 정유체역학적 평형상태에 들어가게 된다. 이 단계에 들어서면 서서히 수축이 일어나게 되고, 외부에서는 아직 계속 물질이 유입되며 온도도 서서히 높아진다. 정유체역학적 평형을 유지한채 아직 핵반응이 일어나지 않은 이 기간을 전주계열성이라고 한다. 대표적으로 황소자리 T형별이 있다. 질량이 작아 주계열성이 되지 못하면 갈색왜성이 되어 서서히 식어간다. 갈색왜성은 수소연소가 일어나지는 않지만 중수소연소에 의해 초반에 조금 에너지를 공급받으며 결국 중력 수축에 의해 에너지를 생성하므로 행성이 아니라 항성으로 분류한다.

 

 

 

온도가 충분히 높아져 -천만도이상- 수소연소가 일어나면 별의 주요 에너지원은 핵반응으로 인한 에너지 공급이 차지하게 된다. 위의 그림에서 보다시피 최초의 핵반응은 4개의 수소원자가 합해져 1개의 헬륨이 만들어지는 과정이며, 이때 생기는 질량손실이 에너지 등가법칙에 의해 에너지로 전환된다.

 

 

 

 위의 반응은 대표적인 열핵융합 반응인 PP1 반응이다. 이외에도 PP2, PP3 반응이 있으며 PP반응은 온도가 비교적 낮은 별, 질량이 1.5태양질량보다 작은 별에서 우세한 반응이다. 간단히 생각하면 그냥 온도가 너무 높아 과도한 운동에너지를 가지게 된 수소 원자들이 돌아다니다가 전기적 반발력을 이기고 강한핵력이 작용할 수 있을만큼 거리가 가까워지며 합쳐지는 과정이다.

 

 

 

 

 온도가 비교적 높은 별에서 우세한 CNO순환 반응이다. 수소 4개가 1개의 헬륨이 되는 것은 같으나 그 과정에 있어 탄소가 촉매의 역할을 하는 반응이다. 1.5태양질량보다 큰 질량의 별에서 우세하며 이 반응의 결과 생성되는 에너지의 양이 PP반응보다 더 크다. 내 생각에 이것은 큰 질량의 별이 다음 단계의 연소가 일어날 수 있도록 온도를 높히는 데 큰 역할을 하는 것 같다.

 

 

별이 핵반응에 의해 에너지를 생성하게 되면 드디어 주계열성에 도달하게 된 것이다. HR도 상에서 보면
대각선의 주계열선이 있는데 어느 부분에 도달하느냐는 최초의 질량에 달려있다. 즉, 각각의 질량에 따라 주계열선의 어딘가에 위치하게 되는 것이지 한 별이 주계열선을 따라 진화하는 것은 아니다. 주계열성이 되기 전에 온도가 올라가며 정유체역학적 평형이 요동을 치는 현상이 단기간 발생하며 이것은 변광성의 원인이 된다. 별은 주계열성으로서 자신의 일생의 대부분을 보내며 질량이 작은 별일 수록 오랜시간 머물게 된다.

 

 

주계열성 중에 가장 잘 알려진 우리 태양의 구조이다.

 

 

별은 질량에 따라 다른 내부 구조를 가진다. 우리 태양의 경우는 위 그림 중 가운데 모형에 해당한다.
질량이 0.5태양질량 보다 작은 경우 별은 전체가 대류를 하며 에너지를 전달한다. 우리 태양같은 경우는 중심에 복사핵이 있으며 그 주변 외피부는 대류에 의해 에너지가 전달되며, 1.5태양질량보다 큰 별의 경우는 중심에 대류핵이 있고 그 외부에 복사층이 있다. 이와같은 차이가 나는 이유는 불투명도와 에너지 생성 기작의 차이에 의해서다. 우리 태양같은 경우는 PP반응에 의해 에너지가 생성되며 이 반응은 비교적 느리며 고르게 일어나므로 중심핵에서는 복사의 형태로 에너지를 전달한다. 하지만 외곽부는 상대적으로 온도가 굉장히 낮아 불투명도가 크기 때문에 온도경사가 심해지게 되고 대류를 유발한다. 쉽게 반지름에 대해 각각의 층을 생각할 때 온도의 경사가 심해지면 대류가 일어나고 심하지 않은 경우는 복사의 형태로 방출되며 온도의 경사를 결정짓는 것은 에너지 발생률과 불투명도이다. 1.5태양질량보다 큰 경우는 CNO반응을 하는데 이 반응은 온도에 굉장히 민감한 반응이므로 온도가 높아지는 중심으로 향할 수록 폭발적으로 일어난다. 이에 중심에서의 온도경사가 커지며 중심부에 대류핵이 만들어지고, 그 외부에 복사층이 형성된다. 중심핵의 대류는 물질의 전달을 효과적으로 돕게 되며, 이 것은 반응을 할 원소의 효율적 공급으로 이어지므로 질량이 큰 경우 핵반응이 굉장히 다이나믹하게 이루어지며 수명이 짧아짐을 알 수 있다.

 

 

 중심부의 수소가 모두 연소되어 소진되면 별은 주계열성을 떠나게 된다. 일단 연료가 소진되면 중심핵은 자체 중력을 이길 에너지를 잃어버리게 된 것이므로 수축을 진행하며 주변부는 수축에 의한 온도의 증가로 껍질연소가 일어나게 된다. 껍질의 연소는 주변부의 온도를 상승시키므로 별은 주변부가 팽창하며 반지름이 커지게 된다. 위의 그림에서 보듯이 적색거성은 중심핵은 수축하며 주변의 수소가 연소하여 전체적으로 팽창하고 그로 인해 온도가 낮아져 붉은색쪽으로 중심파장이 옮겨가는 과정에 있는 별이다.

 

 

위의 사진은 대표적인 적색거성 중의 하나인 황소자리의 알데바란이다. 유난히 붉게 빛나는 모습이
확연히 눈에 띔을 알 수 있다.

 

 

모든 별은 수소를 연소한다. 수소 핵반응이 별의 가장 기본적인 조건이기 때문이다. 하지만 그 이후로의 연소는 별의 질량에 따라 달라진다. 질량이 작은 별들은 수소 연소 후 헬륨을 연소할 수 있을 만큼 중심핵의 온도가 상승하지 않아 헬륨핵을 가진 백색왜성이 되거나 아니면 헬륨을 연소한 뒤 남은 탄소핵을 가진 백색왜성이 될 수도 있다. 최근의 연구 결과에 의하면 중심핵이 어떤 것이든 8태양질량 이하의 별들은 모두 백색왜성의 형태로 최종 진화한다고 한다. 위의 사진은 8태양질량 이상의 별이 모든 핵반응을 거쳤을 경우의 내부 구조이다. 가장 중심에 최종 산물인 철이 있으며 그 위로 각각 층이 생김을 알 수 있다.

 

 

  행성상 성운과 그 속의 백색왜성의 모습이다. 질량이 작은 별이 맞는 최후의 진화 형태라고 할 수 있다. 여기서 설명하기가 힘들지만 간단히 설명하면 수소연소 이후의 다른 원소의 핵반응 단계는 모두 불안정을 내포하고 있다. 왜냐하면 중심핵에서의 수소연소가 끝나면 중심핵이야 어떻게 됐든 주변 껍질에서 연소가 차례로 일어나는 데 주변 껍질의 연소는 밀도에 많이 의존하므로 껍질 연소에 의한 팽창이후에는 다시 수축이 일어나고, 그로 인해 다시 폭발적 연소가 일어나는 과정인 열맥동을 종국에는 모두 거칠 수 밖에 없기 때문이다. 이러한 열맥동은 변광성의 원인이 되며 이로 인해 별의 외피부는 성간 공간으로 불려나가게 된다. 별의 외피부가 성간 공간으로 떨어져 나가며 형성되는 것이 행성상 성운, 남아있는 고온의 중심핵이 바로 백색왜성이 된다.
백색왜성은 축퇴된 전자가스로 이루어져 있다. 축퇴되었다는 것은 기체가 고체와 같은 성질을 가지게 되었다는 의미와 유사하다. 높은 밀도에 의하여 모든 양자 준위에 전자가 가득차며 전자에게 허용된 에너지가 극도로 제한된 상태로서 축퇴된 전자 가스의 경우는 더이상 이상기체방정식을 사용할 수 없다.
높은 중력은 축퇴된 기체압과 균형을 이루어 모양을 유지한다.

 

 

주성 옆에 동반성인 백색왜성의 모습이 보이는 사진이다. 확신할 수는 없지만 시리우스의 모습인 것 같다. 백색왜성은 한계질량을 가진다. 왜냐하면 물리적 상태를 보면 백색왜성은 질량이 커질 수록 반지름이 작아져야 하므로 일정이상 질량이 커질 수 없다. 이때의 질량을 찬드라세카 질량이라고 하며 1.4태양질량에 해당한다. 1.4태양질량 이상이 되면 백색왜성이 아니라 붕괴하여 중성자별이 될 것이다.

 

 

위 사진의 하얀 동그라미 안쪽의 점이 모두 백색왜성이다. 우주 공간에는 백색왜성이 굉장히 많다. 백색왜성은 자체의 열에너지에 의해 복사를 하며 점점 식어간다. 시간이 갈 수록 식는 속도가 느려지며 백색왜성의 온도가 많이 내려가면 적색왜성이 되는 것같다. 질량이 작은 별의 수명은 보통 100억년 이상이므로 사실 백색왜성의 최종 단계에 대해서는 많이 알려진 것이 없다. 왜냐하면 우리 우주의 나이가 대략 140억년 정도 밖에 안되기 때문이다. 아무튼 내 생각에는 백색왜성이 식어 적색왜성을 거친후 관측이 되지 않는 흑색왜성이 되는 것 같다. 흑색 왜성은 중요한 암흑물질 중의 하나가 아닌가 생각된다.

 

 

질량이 큰 별 같은 경우는 아예 폭발을 하며 초신성을 만든다. 위의 사진은 초신성 폭발이 일어나는 모습이다. 폭발의 원인은 축퇴된 기체들의 갑작스런 연소와 중력에 의한 핵붕괴로 발생하는 열에너지인 것 같다. 질량과 상황에 따라 초신성 폭발이 일어나는 원인은 다를 수 있다. 초신성 폭발은 매우 강력하여 밝기가 순식간에 엄청나게 밝아질 수 있으며 대부분의 초신성 폭발은 쌍성계와 연관이 있는 듯 하지만 그렇지 않을 수도 있다. 폭발 후에는 중심에 중성자별 또는 블랙홀이 생기거나 아무것도 남기지 않을 수도 있다. 핵반응으로는 철보다 무거운 원소를 만들지 못하는 데 초신성 폭발에 의한 엄청난 중성자의 공급으로 무거운 금속을 대량 만들 수 있으며 또한 초신성 폭발은 이러한 물질을 성간 공간에 효과적으로 퍼뜨리는 역할을 한다. 거성의 대기에서도 중금속이 만들어질 수 있으나 그 효과에 있어 초신성 폭발과는 비교할 수 없는 수준이다. 또한 초신성 폭발은 다른 성간운에 충격파를 줌으로써 새로운 별이 탄생하도록 하는 역할도 할 수 있으므로 굉장히 중요한 존재라고 할 수 있다.

 

 

화살표가 가리키는 점이 중성자 별이다. 중성자별은 축퇴된 전자가스의 압력이 중력을 이기지 못하게 되며 양성자와 전자가 결합한 중성자로 이루어진 별이다. 이것은 축퇴된 전자기체와 마찬가지로 거의 고체와 같은 성질을 가지며, 백색왜성보다 훨씬 높은 밀도와 회전을 자랑한다. 중성자별은 큰 자기장을 가지고 있으며 빠른 회전을 하므로 펄서로서 관측되기도 한다. 펄서란 주기를 가지고 관측되는 전파영역의 신호를 가리키며 나중에 중성자별에 의한 현상임이 밝혀졌다. 중성자별의 펄서는 자기장에 의해 가속된 전자에 의한 싱크로트론 복사가 주요 에너지원이다.

 

 

초신성이 폭발하여 성간 공간으로 퍼져나가며 중심에 중성자 별이 남은 것을 보여준다. 중성자별은 회전속도가 느려지며 운동에너지를 잃어버리는 데 이것이 초신성 잔해의 주요 에너지원으로 생각되고 있다.

 

 

 

 

 

중성자별의 모식도이다. 강한 자기장이 둘러싸고 있는 것이 보인다. 중성자별의 최외각부는 철로 이루어진 고체상태의 지각으로 생각되는데 강한 자기장은 철의 전자를 떼어내어 외부로 방출한다. 또한 중성자별은 회전축과 자기축의 방향이 다르기 때문에 펄서로서 관측 될 수 있으며 이러한 가정을 등대모형이라고 한다. 좀더 구체적으로 말하자면 위의 사진에서 자기축에 수직한 방향의 평면으로 싱크로트론 복사를 방출하므로 현재와 같은 상태면 우리는 신호를 검출 할 수 있을 것이다. 하지만 중성자별이 회전하게 되면 우리의 시선방향으로 복사는 도달하지 않으므로 신호는 사라질 것이며, 한바퀴를 돌면 다시 신호가 잡힌다. 이것이 펄서의 주기이며 동시에 중성자별의 회전주기이다. 보통 수 밀리초에서 수 초의 주기를 가진다.

 

 

블랙홀의 모식도이다. 별의 잔해가 오펜하이머-볼코프 질량을 초과한 경우 블랙홀이 된다. 블랙홀은 빛 조차도 빠져 나올 수 없는 강력한 중력을 자랑하며 블랙홀 안에서는 우리가 아는 모든 물리법칙이 통하지 않는다. 위 사진에서 보는 검은 경계를 사건의 지평선, 또는 사상의 지평선이라 하며 블랙홀 또한 회전을 하므로 적도 쪽으로 팽창한 정적한계를 가지는 데 사진에서는 표현되지 않았다. 뉴턴 잡지에 의하면 블랙홀도 종류가 굉장히 다양하다. 간략히 말하면 회전의 유무, 자기장의 유무등으로 구분한 것 같다.
질량을 가진 물체가 어느 한계이상으로 압축되면 무엇이든 블랙홀이 될 수 있는데 이때의 한계 반지름을 슈바르츠실트의 반지름이라고 한다. 고전역학으로 간단히 퍼텐셜에너지와 운동에너지를 이용해 속력에 광속을 대입함으로써 구할 수 있다.

 

질량에 따른 별들의 진화를 정리한 그림이다. 이시우박사의 책, 별처럼 사는법이라는 책에 별에 인생에 대해서 이렇게 말한다. 별은 욕심이 없으며 주어진 운명대로 살다가 홀연히 죽는다. 불교관에 바탕을 둔 사람답게 무소유를 전파하고 싶으셨던 것 같은데 개인적으로는 운명이 정해진 별들의 인생이 그리 유쾌해보이지만은 않다.