천체물리학자 찬드라세카르가 발견한 별의 탄생과 죽음

노벨 물리학상을 받은 찬드라세카르는 별에 대해 어떤 발견을 하게 되었는지 알아보겠습니다.

 

 

 

 

별은 어떻게 만들어질까요?

별이 어떻게 태어나는지에 대해 알아보겠습니다. 우주에서 가장 많은 원소는 수소입니다. 우주의 원소 중 4분의 3은 수소 기체이고, 4분의 1은 헬륨 기체이며, 다른 원소들은 아주 적습니다. 우주가 처음 태어나던 당시에는 헬륨도 거의 없고 온통 수소뿐이었습니다. 하지만 우주가 지금까지 150억 년을 살아오면서 수소 중 일부가 헬륨으로 바뀌었고, 그러한 과정은 지금도 계속 진행되고 있습니다.

 

우주는 거의 기체로 이루어져 있고, 우주 대부분의 질량을 차지하는 것은 별이므로, 별은 거의 기체로 이루어져 있는 것입니다. 

어떻게 기체들이 모여서 별을 만들 수 있을까요? 그리고 왜 수소의 양은 줄어들고 헬륨의 양은 점점 많아지는 것일까요? 이것은 바로 별의 탄생과 밀접한 관계가 있습니다. 왜냐면 별은 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있기 때문입니다.

 

이제 별의 탄생 과정에 대해 알아보면 우주의 별과 별 사이에는 아무런 물질도 없는 것처럼 보이지만 사실 수소나 헬륨 같은 기체와 아주 작은 고체 입자들이 있습니다. 우주 공간에서 수소나 헬륨 같은 기체의 밀도는 1세제곱센티미터에 원자 1개 정도로, 낮은 편입니다. 이렇게 별과 별 사이에 있는 기체 상태의 물질을 성간가스라고 부릅니다. 또한 아주 작은 고체 입자를 우주먼지라고 부르는데 1970년 미국의 전파망원경에 의해 처음 발견되었습니다. 우주먼지의 종류에는 물, 철, 규소의 산화물 또는 메탄, 암모니아 같은 유기물질이 있으며 그 크기는 10만 분의 1센티미터 정도입니다. 우주먼지의 밀도는 큰 방에 1개 정도로, 아주 낮습니다. 이렇게 우주공간에서 별과 별 사이에 존재하는 성간가스와 우주먼지를 합쳐 성간물질이라고 부릅니다.

 

 

별의 탄생

별이 태어나는 것은 성간물질의 양이 장소에 따라 차이가 나기 때문입니다. 즉 어떤 곳에는 성간물질이 적고 어떤 곳에는 성간물질들이 많이 모여 있습니다. 성간물질들이 많이 모여 있는 곳은 주변의 별빛을 반사시켜 아름다운 빛을 내는데 그곳을 성운이라고 부릅니다.

이 성운이 바로 별들이 태어나는 요람입니다. 별이 만들어질 때는 성운을 이루는 성간물질들이 한곳으로 뭉치기 시작합니다. 처음에는 천천히 한곳으로 뭉치치만 성간물질들의 거리가 점점 가까워질수록 서로 당기는 만유인력이 커져 점점 떠 빠르게 뭉쳐 별의 모습을 이루게 됩니다. 이렇게 만들어진 별을 원시별이라고 하는데 말하자면 갓 태어난 아기별입니다. 우주에는 현재도 원시별이 태어나고 있습니다. 예를 들어 오리온성운에는 많은 원시별이 만들어지고 있습니다.

 

성운 속의 성간물질들은 처음 수축을 할 때는 넓게 퍼져 있어 느리게 회전을 하지만 이들의 수축이 빨라져 동그란 모양을 이루게 되면 성간물질들이 좁은 곳에 모여 있으므로 빠르게 회전합니다. 빠르게 회전하는 이유는 질량을 가진 물질들이 회전축 주위에 모여 있으면 퍼져 있을 때보다 더 빠르게 회전합니다. 이것이 원시별이 빠르게 회전하는 이유입니다. 이때 너무 빨리 회전하면 어떻게 될까요?

너무 빠르게 회전하게 되면 별이 쪼개질 수도 있고, 하나의 별과 주위에 작은 다른 별이 생기는 연성이 만들어질 수도 있습니다.

 

기체 상태의 성간물질이 모인다고 모두 별이 되는 것은 아닙니다. 수축한 성간물질의 양이 태양 질량의 10분의 1보다 작으면 내부 온도는 2천만도에 이르지 못하게 되어 핵융합이 안 이루어지므로 별이 되지 못합니다. 목성이 수소 기체로 이루어져 있음에도 불구하고 별이 되지 못한 것은 바로 이러한 이유 때문입니다.

 

 

별의 진화

원시별은 온도는 갈수록 내려가고 크기는 점점 커지게 됩니다. 이것이 별의 진화입니다. 이렇게 별이 점점 커지는 상태를 '주계열 상태'라고 하고, 주계열 상태에 있는 별을 '주계열성'이라고 합니다. 우주에 있는 별 중 99퍼센트 이상은 주계열성입니다. 태양도 점점 커지고 있는 주계열성입니다. 주계열성은 밀도가 균일하고 질량이 클수록 밝게 빛납니다. 또, 크기가 태양의 크기의 10분의 1 가량 되는 것에서부터 100배 정도 되는 것까지 있습니다. 이때 별이 점점 커져 최대 크기가 되면 표면 온도가 가장 낮아져 빨간색을 띠게 되는데 이 별을 붉은 거성이라 부릅니다. 붉은 거성은 표면 온도가 낮은 빨간 별임에도 불구하고 크기가 크기 때문에 밝게 보입니다.

 

별은 자신의 수명의 90퍼센트를 주계열 상태로 보내는데 붉은 거성 때까지는 별이 수축하려는 힘과 기체의 팽창하려는 압력이 평형을 이루어 별의 형태가 공 모양으로 안정되게 유지됩니다. 하지만 붉은 거성의 시기를 지나면 더 이상 핵융합을 할 재료인 수소가 없어 별은 더 이상 공모양의 안정된 형태를 유지하지 못하고 수축하게 됩니다. 이때를 '별의 죽음'이라고 부릅니다.

 

 

늙어가는 별

원시별로 탄생한 별은 나이를 먹어 감에 따라 핵융합으로 수소는 점점 줄어들고, 핵융합으로 만들어진 헬륨은 점점 늘어납니다. 이로인해 내부의 기체는 더 무거워지므로 만유인력에 의한 수축이 빨라져 온도가 더욱 높아지고 결국은 헬륨마저 핵융합 하게 됩니다. 이러한 과정이 바로 별이 늙어 가는 과정입니다.

 

 

늙은 별의 모습은 어떤 모습일까요?

수소의 원자핵들이 달라붙어 헬륨의 원자핵이 만들어지고 난 후, 헬륨의 원자핵 세 개는 핵융합을 하여 탄소 원자핵을 만들고, 다시 탄소 원자핵과 헬륨 원자핵이 핵융합하여 산소 원자핵을 만듭니다. 보통 가벼운 별은 여기까지 진화가 이루어집니다. 

하지만 무거운 별의 진화는 다릅니다. 산소가 만들어진 후에 별내부의 압력이 더욱 커지면서 핵융합에 의해 산소, 네온, 나트륨, 마그네슘, 규소, 니켈, 등의 원소가 만들어지고 끝으로 철이 만들어집니다. 이러한 핵융합 과정은 철까지만 진행되고 철부터는 핵융합에 의해 새로운 원소가 만들어지지 않습니다. 그것은 철이 가장 안정된 원소이므로 더 이상 핵융합이 진행되지 않기 때문입니다.

예를 들어 태양 질량의 열 배 이상으로 태어난 별의 노년기 구조는 안쪽부터 철, 규소, 산소, 탄소, 헬륨, 수소, 껍질을 가진 모습입니다.

 

 

별의 죽음에 대해서

별의 중심부에서 수소가 바닥이 나면 더 이상 수소의 핵융합이 일어나지 않습니다. 이때 별 안쪽의 무거운 물질들이 바깥쪽의 가벼운 물질들을 만유인력으로 잡아당겨 별은 수축하게 됩니다. 이것이 바로 별이 죽는 과정입니다.