태양과 질량이 비슷한 별의 일생
2021.6.20. 윤세연
별의 탄생
별은 성운에서 탄생합니다. 성운은 우주공간에서 기체나 성간 티끌과 같은 성간물질들이 모여있어서 마치 구름처럼 보이는 것입니다. 성운 중에서도 온도가 낮고 눈에 보이지 않는 암흑성운이 있습니다. 암흑성운에서는 중력이 기체압보다 크게 작용하므로 원시별을 이룰 물질들을 모을 수 있는 조건을 충족시킵니다. 암흑성운 안에서 성간물질들은 중력에 의해 서로 잡아당겨지고 뭉치며 점점 더 큰 중력을 만들어냅니다. 이 물질들은 점점 수축하여 중심핵을 이룹니다. 성운이 수축을 시작할 때 각운동량 보존 법칙에 따라 점점 빠르게 회전하면서 주위 물질을 끌어당겨 밀도가 점차 높아지고 따라서 중심부와 표면 온도가 상승합니다. 이 단계를 원시별이라고 합니다. 마침내 표면 온도가 1000 k에 이르면 서서히 가시광선을 내기 시작하는데, 주계열성이 되기 직전 단계에서는 중력수축 때문에 중심부 온도가 상승합니다. 하지만 핵 융합반응이 일어날 정도는 아닙니다.
말머리 성운주계열성
다음 단계인 주계열성은 이름과 같이 별의 일생에서 90 퍼센트를 차지하는 단계입니다.
주계열성의 특징은 수소 핵융합 반응을 하는 것입니다. 수소 핵융합 반응은 전 주계열성의 중심부 온도가 1,000만 k 이상일 때 이루어집니다. 수소 핵융합 반응은 수소 원자 4개가 높은 온도에서 헬륨 원자로 결합하는 것인데 이때 수소 원자 4개의 질량이 헬륨 원자 1개보다 많기 때문에 남은 질량이 E=mc² 에 따라 에너지로 변환됩니다. 핵융합 반응에서 나오는 막대한 에너지는 주계열성 내부의 기체압을 높입니다. 이때 기체압과 중력의 힘이 평형상태를 이루면서 별의 크기와 밝기가 유지됩니다.
별의 중심에 모여있던 수소가 모두 헬륨으로 전환되면 더는 수소 핵융합 반응을 실행할 수 없으므로 중심부가 중력수축 때문에 수축합니다. 이때 아직 핵융합하지 않은 중심핵 근처의 수소들이 핵융합 반응을 일으키며 별의 껍질을 팽창시킵니다.
주계열성적색거성
별의 껍질은 수소 핵융합 반응 때문에 급격히 늘어나는데 이때 별의 반지름이 1000배 정도 증가합니다. 부피가 늘어나면서 별의 표피온도는 낮아지는데, 이 과정이 적색거성입니다. 표피의 팽창과는 반대로 별의 중심부는 중력수축에 의해 수축하며 고온을 만들게 됩니다. 마침내 온도가 1억 k 정도에 이르면 헬륨들이 뭉치며 헬륨 핵 융합반응이 가능해집니다. 헬륨 핵융합 반응은 약 1억 년 정도 유지됩니다. 약 1억 년 후에는 헬륨이 모두 소진되어 탄소 핵이 만들어집니다.
적색거성 '안타레스'백색왜성
헬륨 핵융합 반응이 끝나면 기체압은 사라지게 됩니다. 따라서 중력수축이 강하게 일어나게 됩니다. 별의 크기는 기체압으로 중력수축을 견디지만, 헬륨 핵융합 반응이 끝난 상황에서 별은 전자가스 축퇴압으로 크기를 유지합니다. 이 때문에 별의 크기는 극단적으로 줄어들며 지구 정도의 크기가 됩니다. 질량은 태양과 비슷해지며 물의 100만 배의 고밀도를 가지고 있습니다. 이 단계를 별의 노년인 백색왜성이라고 합니다. 백색왜성은 푸르게 빛나는데 이 때문에 백색왜성이라고합니다. 백색왜성은 고온의 환경에서 이온화된 물질들이 방출하는 에너지로 빛을 발산합니다.
밝고 큰 시리우스 A 좌측 하단에 작은 백색왜성 시리우스 B의 모습별의 마지막
백색왜성이 되기 전 적색거성의 표피는 우주공간으로 밀려나며 행성상 성운이 됩니다. 행성상 성운의 중심에는 백색왜성이 있고 백색왜성은 수백억 년의 시간을 거치며 발광하지 않는 흑색 왜성으로 바뀔 것으로 예측합니다. 이로써 별의 일생은 끝나게 됩니다.
이론상 별의 마지막 모습 흑색왜성