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Nov 18. 2024
세상을 이루고 있는 것(2)
별의 진화와 원소의 생성
요즘은 출퇴근하지 않는 여유가 있는데도 불구하고, 일상생활에서 45도 위로 바라보는 일이 거의 없습니다. 아주 큰 보름달을 볼 수 있다거나, 일식이나 월식이 생기거나, 흐린 날에 날씨를 가늠하기 위해 하늘을 바라보는 경우가 거의 전부라고 할 수 있습니다. 별을 헤아리는 낭만은 도시 밖으로 여행을 갔을 경우에나 일부러 마음을 내어야 누릴 수 있습니다.
인류 역사에서 하늘은 신비와 경외의 대상이었습니다. 하늘은 이글거리는 태양과 달이 나타났다 없어지는 과정을 반복하고, 비를 뿌리고 천둥과 벼락을 내립니다. 하늘에 있는 의인화한 누군가를 ‘하느님’이라고 부르며, 땅에 붙어사는 자신의 목숨과 행복을 의탁했습니다. 이런 문화가 오늘날에도 다양한 종교로 삶에 영향을 끼치고 있습니다.
과학은 하늘에 있는 모든 것을 뭉뚱그려서 천체(天體)라고 구분하는데, 천체의 기본 단위는 은하(galaxy)입니다. 이것은 물질의 기본단위가 원자이고, 생명의 기본단위가 세포인 것과 대비됩니다. 가볍게 생각하면 천체의 기본 단위는 태양 같은 별(star)이 될 것 같은데, 하늘에는 이런 은하가 수천억 개 이상 있다는 것을 감안하면, 천체의 기본단위가 별이 아니고 은하가 되는 것이 이해됩니다. 개별 은하는 엄청나게 많은 개수의 별을 포함하고 있고, 은하가 모여 우주를 구성하므로 별을, 우주를 구성하는 소단위로 이해해도 되겠습니다. 막대나선형 은하인 ‘우리은하’(The Galaxy)는 천억 개 이상의 별을 포함하고 있으며, 중심에서 나온 빛이 길이 방향으로 5만 년을 가면 은하의 끝에 도달할 수 있는데, 3만 년 정도 갔을 때 태양을 스쳐 간다고 합니다. 태양은 8개의 행성을 거느리며 태양계를 구성하고 있는데, 인간이 살고 있는 지구는 3번째 행성이 되겠습니다. (그림 참조)
우주가 빅뱅으로 만들어졌다는 것은 우주 안에 있는 모든 것이 새로 생겼다는 말과 같습니다. 그러므로 별도 새로 만들어졌는데, 지금부터 별이 어떻게 만들어지고 변화하는지 그 과정을 살펴보려고 합니다. 구체적인 내용에 앞서, 별의 생성과 변화 과정을 이해하는 데 필요한 내용을 몇 가지 먼저 알고 가도록 하겠습니다.
온도의 정의
온도는 차고 더운 정도를 실수(real number)로 나타내는 물리량입니다. 실수로 표현하는 물리량은 먼저 기준점과 단윗값을 정해야 합니다. 기준점은 변하지 않아야 하므로, 과학에서는 순수한 물이 어는점을 기준점으로 잡았습니다. 또 단윗값을 정하는 것도 일정한 크기가 필요하므로 물이 끓는점을 100으로 잡고, 그 간격을 100등분 하여 단윗값을 정하였습니다. 그리고 단위는 섭씨(Celsius)라고 이름 붙이고 기호는 숫자의 어깨에 동그라미를 첨가하고 도(degree)라고 읽기로 합니다. 그러므로 얼음이 떠 있는 물에 손을 담그면 0℃를 감각할 수 있고, 수증기에 손을 대면 100℃를 감각할 수 있지만 화상을 입으니 조심하여야 합니다.
기체의 성질
수증기 같은 기체는 여러 가지 성질이 있습니다. 영국의 과학자 보일(Boyle)은 기체의 부피와 압력은 반비례하는 관계가 있다는 것을 밝혔습니다. 이 성질은 일상생활에서 두루 확인할 수 있습니다. 주사기의 입구를 막고 피스톤을 누르면 증가한 압력을 확인할 수 있습니다.
그리고 프랑스의 과학자 샤를(Charles)은 기체의 부피는 온도에 비례한다는 것을 밝혔습니다. 온도가 올라가면 부피가 증가하고 온도가 내려가면 부피가 줄어든다는 것입니다. 그러므로 온도를 계속 내리면 부피가 0이 되는 순간을 만나게 됩니다. 부피가 0이 되는 상황은 현실적으로 만나기 어렵지만, 수식으로 계산하면 –273.15℃가 됩니다. 과학에서는 이 온도를 절대온도의 기준점으로 잡고, 기호는 K를 사용합니다. 절대온도 0K는 –273.15℃와 같습니다.
그리고 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 합치면, 기체의 부피와 압력을 곱한 값은 절대온도에 비례합니다. 그런데 압력과 부피를 곱한 것은 에너지의 차원이 되므로, 온도도 에너지 차원을 가지는 것을 알 수 있습니다.
또 이탈리아의 과학자 아보가드로(Avogadro)는 온도와 압력이 같으면 기체의 부피는 기체의 양에 비례한다는 것을 밝혔습니다. 세 가지 법칙을 한 번에 표현하면 기체의 상태방정식을 얻을 수 있습니다. 이런 내용을 식으로 표현하면 다음과 같습니다.
온도와 운동에너지
기체는 유동성이 뛰어나 용기에 맞춰서 부피를 형성할 수 있습니다. 부피를 가진 기체는 그 자체로 기체 덩어리라고 하겠습니다. 부피를 이룬 닫힌 공간(계)에 있는 기체 분자의 수는 무수히 많지만, 개별 기체 분자의 운동을 모두 더하면 전체 기체의 운동을 구할 수 있습니다. 과학은 이런 아이디어에 근거하여 닫힌 공간에서 개별 기체 분자가 가지는 운동에너지의 크기가 기체의 온도에 비례한다는 것을 통계적으로 밝혔습니다. 온도가 나타내는 에너지의 차원이 운동에너지라는 것이지요. 이 관계를 식으로 나타내면 다음과 같습니다.
이 식이 나타내는 것은, 기체의 온도는 기체의 운동이 결정한다는 것입니다. 기체의 온도가 높으면 기체의 운동이 상대적으로 더 활발하다는 것입니다. 이 관계는 기체에 한정하지 않고 물질의 일반적인 성질로 고체와 액체에도 적용할 수 있습니다. 금속은 구성 원자가 진동하고 있는데, 금속을 가열하면 원자의 진동이 활발해져서 운동에너지가 증가한다는 것입니다. 액체도 마찬가지로, 물을 가열하면 물 분자의 운동에너지가 증가하여 온도가 올라갑니다.
전자기파의 발생
전자기학의 핵심 내용은 영국의 과학자 맥스웰(Maxwell)이 정리한 4개의 방정식으로 표현됩니다. 맥스웰의 방정식에 의하면 전하는 전기장을 만듭니다. 또 움직이는 전하(qv)는 자기의 성질을 가지고, 공간에 자기장을 만듭니다. 움직이는 전하가 만드는 자기장의 세기는 전하의 속도에 비례합니다. 가속되는 전하는 속도가 변하므로, 가속하는 전하가 만드는 자기장의 세기도 속도의 변화에 맞춰서 변합니다. 이렇게 생성되는 자기장에는 움직이는 전하가 가진 에너지가 위치에너지(퍼텐셜에너지)로 저장됩니다. 맥스웰의 방정식에 의하면, 변하는 자기장은 변하는 전기장을 생성하고, 변하는 전기장은 변하는 자기장을 생성합니다. 변하는 자기장이 생성하는 전기장에는 자기장의 변화와 관련한 에너지가 저장됩니다.
이렇게 꼬리를 무는 체인(chain) 방식은 물결의 출렁임같이 움직이면서 파동을 형성하고, 파동의 전파를 통해서 전기장과 자기장이 가진 에너지를 이동시킵니다. 이 파동이 전자기파로, 그 전파 속도가 초속 30만 km(10⁸m/s)로 빛의 속도와 같습니다. (그림 참조)
그런데 진동은 속도가 변하는 가속운동이므로, 진동하는 전하는 전자기파를 만듭니다. 대표적인 사례로 송신 안테나는 전하를 진동시켜 전자기파를 만듭니다. 또 온도를 가진 물체는 구성 원자가 진동을 하게 됩니다. 원자는 전하를 가지고 있으므로 온도를 가진 모든 물체는 전자기파를 방출합니다. 이렇게 온도가 있는 물체가 방출하는 전자기파를 열복사(Thermal Radiation)라고 구분합니다. 그런데 앞에서 살펴본 것처럼 물체의 온도에 따라, 진동 운동하는 에너지의 크기가 달라집니다. 온도가 높으면 그 진동수도 크게 됩니다. 단위시간에 대한 진동수가 많으면 속도 변화가 큰 것이므로 전달하는 에너지의 크기도 큽니다. 그러므로 전자기파는 진동수의 크기에 따라 구분할 수 있습니다. 진동수가 아주 큰 전자기파부터 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파로 구분합니다. 가시광선은 인간이 눈으로 감각할 수 있는 전자기파로 대략 파장이 380nm~780nm 사이에 있고, 프리즘으로 분해하면 무지개색을 보입니다. 보라색이 빨간색보다 파장이 짧아서(진동수가 많아서) 더 큰 에너지를 전달합니다. 구분된 전자기파는 생성 근원이 각각 다른데, 감마선은 핵융합이나 핵분열하는 과정에서 만들어지거나 빅뱅 과정에서 입자와 반입자가 만나서 쌍소멸을 할 때 만들어집니다. X선은 X선 발생기로 만들고, 햇빛 같은 열복사선은 자외선과 가시광선 적외선을 포함하고 있습니다. 전파는 인간이 필요에 의해 인공으로 만들고, 통신과 정보전달에 사용하고 있습니다.
중력에 대한 기체의 동적 평형상태
과학은 중력장에 놓인 질량체가 가지고 있는 위치에너지(퍼텐셜에너지)와 운동에너지를 합쳐서 역학적 에너지로 구분합니다. 그리고 역학적 에너지는 서로 교환하면서 보존됩니다. 높은 곳에 있는 돌은 위치에너지를 가지고 있고, 돌이 떨어지면 위치에너지를 잃는 대신에 그만큼 운동에너지를 얻습니다. 그래서 역학적 에너지가 보존됩니다. 반대로 위로 던져 올린 돌은, 위로 올라갈수록 속도를 잃고 멈추게 되지만, 잃은 운동에너지는 모두 위치에너지로 저장됩니다. 그래서 역학적 에너지가 보존됩니다.
그리고 중력장 내부에 놓인 질량체에 작용하는 중력의 크기는 질량중심점에서 대상까지의 거리를 반지름으로 하는 구면 안쪽의 질량에 대해서만 중력이 작용하고, 구면 외부에 있는 질량은 중력을 작용하지 않습니다. 구면 외부에 있는 질량체는 대상에 누르는 압력으로 작용합니다. 쉽게 표현하면 중력은 밑(질량중심점 방향)에 있는 질량이 작용하고, 위에 있는 질량은 중력이 아니라 누르는 힘을 작용합니다. 물론 누르는 힘은 위에 있는 질량체가 받는 중력에서 나옵니다.
그러므로 기체덩어리가 중력장에 놓여 있는 경우에, 기체가 가진 운동량이 중력을 이기고, 외부 질량이 누르는 압력까지 이기면 위로 운동을 하게 됩니다. 그리고 남는 운동에너지를 모두 소진하면 평형을 이루어 안정되게 됩니다. 외부 질량이 중력을 받아 누르는 힘에 저항하는 기체의 운동을 복사압이라고 합니다. 실제에 있어서는 각각의 기체가 위치에 알맞은 복사압(운동에너지)을 가지고 평형을 이루고 있습니다. 물론 밑으로 떨어지지 않고 그 자리에 머무르기 위해서는 중력에 대항하는 에너지를 계속 받아야 하겠습니다. 이렇게 운동량을 가진 기체덩어리가 운동량을 유지할 수 있는 에너지를 계속 공급받아서, 아래에서 당기는 중력을 이기고 위에서 누르는 힘과 평형을 이루는 안정된 상태를 동적평형상태라고 합니다. 중력에 의한 누르는 힘과 복사압 사이에 평형이 이루어진 것입니다. 기단이나 고무풍선이 부푼 상태를 생각하면 되겠습니다.
우주 변화의 원리
빅뱅으로 만들어진 우주는 끊임없이 변화하고 있는데, 그 원리는 의외로 아주 단순합니다. 대상이 가진 위치에너지가 가장 작은 상태가 되는 방향으로 운동하는 것입니다. 달리 말하면 서로 가까이 다가와서 하나가 되도록 하는 것입니다. 이런 작용은 자연의 4가지 기본 힘인 강력, 전자기력, 약력, 중력이 합니다. 또 다른 원리는 줄어든 위치에너지가 바뀐 운동에너지는, 가능한 한 널리 분포하는 방향으로 변화하는 것입니다. 이 작용은 주로 충돌을 통해 열을 전달하는 방식으로 이루어집니다.
초기 우주 상태
빅뱅우주론에 의하면 빅뱅 이후 공간과 시간이 만들어지고, 공간에는 보존되는 에너지가 가득합니다. 에너지 바다에서 쿼크(quark)와 전자(렙톤) 같은 물질과 반쿼크와 양전자(positron) 같은 반물질이 만들어집니다. 물질과 반물질은 합쳐져서 두 가닥의 감마선을 내고 쌍소멸합니다. 그런데 그 배경을 알 수 없지만 물질의 개수가 반물질의 개수보다 약간 많아서 쌍소멸 이후에 물질이 남게 됩니다. 우주는 계속해서 팽창하고 있으므로 물질이 가진 운동에너지는 점점 작아지고 에너지밀도는 줄어듭니다. 이러한 에너지 변화 상황에서 - 온도가 내려간 상황에서 더 안정된 상태를 유지하기 위해 남은 쿼크는 서로 결합하여 양성자와 중성자를 만듭니다. 중성자를 만드는 에너지 수준이 상대적으로 높아서 일정한 개수의 중성자를 만든 후에 더 이상 만들지 못합니다. 만들어진 중성자도 불안정하여 양성자로 바뀝니다. 이어서 양성자를 만드는 과정이 진행되는데, 양성자를 생성하는 에너지 환경은 중성자보다 여유가 있어서 모든 쿼크를 사용합니다. 생성된 중성자와 양성자의 비율은 대략 1대 7을 보입니다. 여기까지의 변화는 빅뱅 이후 1초 동안에 모두 이루어졌다고 합니다.
우주는 계속 팽창하고 있으므로, 에너지 밀도는 계속 작아지고 있습니다. 식어가고 있는 것이지요. 이런 에너지 환경 변화에 대응하여 양성자 2개와 중성자 2개가 서로 결합하여 더 안정된 에너지 상태를 유지하는 변화가 일어납니다. 결합을 마쳤을 때 남는 물질은 양성자 12개에 결합체 1개의 비율을 유지합니다. 중성자는 모두 결합에 참가하여 남는 것이 없습니다. 이 결합체가 헬륨 원소의 핵이 되고, 결합 과정은 3분이 되기 전에 모두 마칩니다. 이 시점에서 우주 공간을 가득 채우고 있는 것은, 양성자(수소 원자핵), 헬륨핵, 렙톤의 전자, 감마선 정도입니다. 이들은 서로 엉켜서 구별할 수 없을 정도로 혼돈(chaos)의 상태를 이룹니다.
우주가 계속 팽창하면서 식어감에 따라, 새로운 에너지 상태가 끊임없이 만들어지는데, 빅뱅 이후 38만 년 정도가 지났을 때, 전자와 양성자가 결합하여 수소를 만들고, 헬륨핵과 결합하여 헬륨 원자를 만듭니다. 바뀐 에너지 환경에서, 원자를 만드는 변화로 더 안정된 에너지 상태를 유지하게 됩니다. 이 상태에서 감마선이 비로소 독자적인 운동을 하게 되고 팽창하는 우주공간을 따라 퍼져나가게 됩니다. 이렇게 퍼져나간 감마선이 오늘날 우주배경복사(Cosmic Microwave Background Radiation)로 지구에서 검출되고 있습니다.
별의 진화와 원소의 생성
수소 원자와 헬륨 원자가 만들어진 상태에서는 물질을 구분할 수 있는 질서가 유지됩니다. 무질서한 혼돈의 시대가 끝나고 질서 있는 우주(Cosmos Universe) 시대가 비로소 열렸습니다. 우주를 채우고 있는 수소와 헬륨은 새로운 에너지 환경에서 상대적으로 질량이 큰 입자에 이끌리어 뭉치기 시작합니다. 밀도가 커지는 기체덩어리가 되는 것입니다. 주위에는 결합할 물질이 풍부하므로 결합은 계속해서 일어납니다. 결합이 이루어질 때마다 위치에너지가 운동에너지로 바뀌므로 결합체의 기체덩어리 중심에서는 온도가 올라갑니다. 이런 결합은 우주 곳곳에서 일어납니다. 결합이 진행되는 과정은 같으므로 하나의 결합 과정을 살펴보겠습니다. 헬륨의 개수는 많지 않으므로, 수소 원자를 간단히 수소로 표현하여 물질을 대신하도록 하겠습니다.
원시별: 수소가 계속 결합하면 중심 온도가 올라가고, 열이 수소덩어리 표면으로 전달되어 표면에서 열복사에 의한 전자기파가 발생합니다. 표면 온도가 약 3,000K에 도달하면 가시광선 영역에 속하는 붉은색 전자기파를 방출하여, 인간이 눈으로 확인할 수 있는 별이 됩니다. 이렇게 처음으로 가시광선 영역의 빛을 스스로 방출하는 별을 원시별이라고 구분합니다.
갈색왜성: 원시별 주위에 끌어들일 물질이 풍부하면 병합은 계속 일어나고 별은 점점 수소 기체덩어리의 덩치를 키웁니다. 만약 병합할 물질이 충분하지 못하여 태양 질량의 8% 정도에 미치지 못하면, 온도 상승을 멈추고 서서히 식어가다가 적외선 영역으로 떨어지면 더 이상 눈으로 확인할 수가 없게 됩니다.
주계열성: 주위 물질이 풍부하여 기체 덩어리의 질량이 태양 질량의 8%가 넘으면, 중심온도가 약 500만K 정도에 이릅니다. 이 온도의 에너지 환경에서는 중심에 있는 수소 원자는 양성자와 전자로 분리되어 플라스마 상태가 되고, 양성자 두 개가 결합하여 양전자(positron)와 전자중성미자(neutrino)를 내어놓고 이중수소로 바뀝니다. 이중수소도 안정되지 못하므로 양성자 한 개와 추가로 결합하여 헬륨3을 만들고 감마선을 방출합니다. 두 개의 헬륨3이 결합하여 두 개의 양성자를 배출하며 헬륨핵을 만들면 물질이 안정되게 됩니다. 이러한 핵융합반응에서 질량이 줄어드는데, 줄어든 질량이 E=mc²에 따라 에너지로 바뀌어 감마선으로 방출됩니다. (그림 참조)
출처 : 위키피디아 콤먼스이처럼 별의 중심에서 핵융합반응이 일어나는 별을 주계열성으로 구분합니다. 대부분의 별이 주계열성에 속하며, 태양도 주계열성입니다.
기체덩어리의 중심에서 수소핵융합반응이 일어나면, 별은 감마선 방출을 통해 스스로 에너지를 생산하게 됩니다. 그러므로 중심 부근에 있는 수소를 가열하게 되고, 가열된 수소는 큰 운동량(온도)을 유지하며 표면 방향으로 열을 전달하게 됩니다.
기체 덩어리가 현재의 태양처럼 더 이상 물질을 병합하지 않으면, 별에 공급되는 에너지는 핵융합에서 발생하는 내부 에너지가 전부입니다. 주위보다 높은 온도를 유지하는 별은 외부로 열을 발산합니다. 외부로 발산되는 열량은 표면적에 비례하므로 별의 크기가 크면 발산되는 열량이 크게 됩니다. 그리고 별을 구성하는 기체덩어리는 자체 중력을 받습니다. 그러므로 기체가 중력을 이기는 운동량(온도)을 가지지 못하면 중력수축에 의해 크기가 줄어들게 됩니다. 별이 크기를 유지하기 위해서는 중력을 이길 수 있는 운동량과 상응하는 에너지를 항상 유지하여야 합니다. 그러므로 핵융합으로 생산된 열로, 주위로 발산하는 열량과 중력을 이기는 운동량(온도)를 항상 유지할 수 있으면, 별은 평형상태가 되어 일정한 크기를 유지할 수 있습니다. 이것이 주계열성이 일정한 크기를 유지하는 원리입니다. 태양도 중심에서 일어나는 수소핵융합으로 공급되는 에너지의 양이 표면온도가 6,000K가 되는 수준에서 현재의 크기를 유지하는 평형상태를 이루고 있습니다. 여기서 주목할 내용은 별에서 헬륨을 만들었다는 것입니다. 빅뱅 과정에서 약간의 헬륨을 만들었지만, 별에서는 양성자 4개로 헬륨 1개를 새로이 만들었습니다. 헬륨은 주기율표에서 2번째 원소인데, 앞으로 나머지 원소가 만들어지는 과정을 살펴보겠습니다.
백색왜성: 주계열성의 중심에서 일어나는 수소핵융합은 당연히 모든 수소가 융합을 마칠 때까지 진행되지 않습니다. 별 질량의 10분의 1 정도가 융합을 마치면, 중심엔 헬륨이 쌓이게 되고, 더 이상 수소핵융합반응이 일어나지 못합니다. 그러면 별 내부에서 공급되는 에너지의 양이 줄어들어서, 내부 온도가 낮아집니다. 그러면 헬륨 주변에 있는 수소도 핵융합반응 온도에 이르지 못해서 융합이 일어나지 않습니다. 별에 공급되던 에너지가 끊기는 것입니다. 에너지 공급이 멈추면, 중력과 기체의 운동량 사이에 형성된 평형이 깨어지고, 우세해진 중력에 의해 별은 다시 수축하게 됩니다. 그런데 전자는 스핀값이 반수인 페르미온으로 같은 에너지 준위를 가질 수 없으므로, 수축 과정에서 수소 원자가 가까워지면 엄청난 크기의 반발력을 받게 됩니다. 이렇게 전자가 같은 에너지 상태에 놓이지 않기 위해 저항하는 힘을 전자축퇴압이라고 합니다. 수축하는 별이 전자축퇴압을 받아서 수축을 멈추면, 별의 온도는 서서히 떨어져 갑니다. 이같이 태양질량의 40%가 되지 못하는 작은 별이 전자축퇴압을 받아 수축을 멈추고, 서서히 온도가 내려가는 별을 백색왜성이라고 합니다.
적색거성: 별의 질량이 태양질량의 40%보다 크면, 수축으로 인한 운동에너지(온도)가 많이 증가하여 중심온도가 대략 1억K까지 올라갑니다. 이 온도의 에너지 환경에서 헬륨핵은 안정되지 못하므로 중심에 모여 있는 헬륨핵이 융합을 하여 안정된 상태를 이루려고 합니다. 헬륨핵융합반응이 일어나는 것입니다. 이런 핵융합은 모두 더 낮은 에너지상태를 유지하기 위한 변화이므로, 자연스럽게 일어나고 남는 에너지는 감마선으로 방출됩니다. 헬륨핵융합으로 방출되는 에너지는 수소핵융합과 비교가 되지 않을 만큼 엄청난 크기이므로, 그만큼 복사압도 크게 됩니다. 큰 복사압은 별을 구성하는 기체에 큰 운동량을 부여하여 별의 크기(경계)가 크게 확장되고, 밀도는 그만큼 줄어들게 됩니다. 이렇게 부푼 별의 표면온도는 3000K까지 떨어지므로, 붉은색의 전자기파를 방출하여 붉게 보입니다. 그래서 적색거성이라고 구분합니다. 중심에서 헬륨핵융합이 일어나면 헬륨층 주변에 있는 수소도 온도가 올라가서 수소핵융합반응을 다시 시작하여 헬륨핵을 생산•공급합니다.
행성상성운: 적색거성 단계에 들어온 별은 중심 온도와 별의 질량에 따라, 별의 중심에서 핵융합할 수 있는 단계가 결정됩니다. 중심에서 일어나는 핵융합은 에너지상태를 안정되게 유지하기 위한 자연스러운 변화이므로, 질량 결손에 따른 많은 에너지를 방출하여 중심온도가 올라갑니다. 별의 질량이 증가함에 따라 중심에서 일어나는 핵융합도 다음 단계로 진행되어 점점 더 무거운 원소를 만듭니다. 두 개의 헬륨핵이 융합하면 양성자가 4개인 원소(베릴륨핵)가 만들어지지만, 베릴륨핵도 안정된 원소가 아니므로 또 다른 헬륨핵과 융합하여 양성자가 6개인 원소(탄소핵)를 만듭니다. (그림 참조)
헬륨핵융합으로 중심에 모인 탄소는 주변 헬륨과 결합하여 양성자 수가 8개인 원소(산소핵)를 만듭니다. 산소도 주변 헬륨과 융합하여 양성자 수가 10개인 원소(네온핵)와 12개인 원소(마그네슘핵)를 만듭니다. 핵융합이 진행되면 중심에는 최근의 핵융합으로 생성된 원소핵이 쌓이고 차례로 이전에 융합된 원소가 둘러싸게 되고, 표면에는 수소(양성자)가 자리 잡게 됩니다. 중심에서 핵융합이 일어나고 있는 동안에는 주변에 있는 원소의 핵융합도 함께 진행됩니다. 중심 온도가 점점 올라가면 산소핵이 융합하여 양성자의 수가 14개인 원소(규소핵)를 만들고, 다음 단계로 규소핵이 융합하여 양성자수가 26개인 원소(철핵)을 만듭니다. 철핵이 생성되는 단계까지는 에너지가 낮아지는 반응이므로 자연스럽게 일어납니다.
하지만 철핵이 핵융합을 하기 위해서는 외부에서 에너지를 공급하여야 반응이 일어납니다. 철핵의 에너지 수준이 모든 원소 중에서 가장 낮다는 것입니다. 그러므로 중심에 철이 쌓이면 더 이상 핵융합반응이 생기지 않으므로 별은 에너지 공급이 차단되어 식어가고, 복사압이 떨어져서 중력 수축이 일어납니다. 별의 질량이 태양질량의 10배 정도를 넘지 않으면, 중력에 의한 누르는 힘의 크기도 제한됩니다. 그러므로 수축 과정에서 전자축퇴압의 반발력을 받게 되어 더 이상 수축이 일어나지 않습니다.
그런데 중력 수축은 별을 구성하는 기체의 온도를 올리고, 온도의 증가에 따른 복사압도 증가합니다. 계속 증가하는 복사압은 어느 시점에서 중력이 누르는 힘을 초과하게 됩니다. 그러면 초과한 복사압을 받는 외각에 있는 기체 덩어리는 밖으로 방출되면서, 중력을 받는 별의 중심부와 분리됩니다. 이렇게 분리된 기체 덩어리가 고리 모양을 띠므로 행성상 성운이라고 합니다. (그림 참조)
