[밤하늘의 물리학] Chapter 13. 별의 최후와 갈색 왜성, 행성상성운, 백색 왜성, 초신성, 중성자별, 블랙홀의 탄생

hunhani (65)in #kr • 7 years ago

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 별의 최후와 갈색 왜성, 행성상성운, 백색 왜성, 초신성, 중성자별, 블랙홀의 탄생에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

별의 죽음, 무거운 원소가 생성되다.

인간이 더 이상 에너지를 공급받지 못하면 계속해서 살아갈 수 없듯이 별 역시 사용 가능한 모든 에너지를 써 버리면 죽음의 과정으로 접어들게 됩니다. 호랑이는 죽어서 가죽을 남기고, 사람은 죽어서 이름을 남기듯이, 별은 죽어서 다양한 원소를 남깁니다. 별이 질량에 따라 각기 다른 형태로 일생을 보내듯이 별의 죽음의 단계 역시 질량에 따라 각기 다른 형태로 맞이하게 됩니다.

태양 정도의 질량을 가진 별의 마지막 단계에서의 내부 구조

태양과 비슷한 질량을 가진 별의 성장 마지막 단계에 해당하는 별의 내부 구조입니다. 헬륨을 융합해 탄소까지 만들 수 있죠. 연소 층은 핵융합을 하고 있는 층입니다.

태양 질량보다 훨씬 작은 질량을 갖는 천체의 최후

질량이 태양에 비해 12배 이상 작은 질량의 천체는 잠깐 동안 에너지를 생성하지만 수소를 헬륨으로 전환시켜 줄만큼의 내부 온도를 가질 수 없습니다. 사실 이러한 천체는 애초에 별이라고 할 수 없죠. 이렇게 작은 질량을 가진 천체를 갈색 왜성이라 일컫습니다.

태양과 질량과 비슷하거나 조금 작은 질량을 갖는 별의 최후

태양 정도의 질량을 가진 별에서는 헬륨으로 구성된 별의 중심 부분이 중력에 의해 수축해 중심 온도를 상승시킵니다. 이 때 별의 표면은 반대로 팽창해 온도가 떨어지게 되는데요. 즉, 중심 부분은 수축했지만 바깥 부분이 팽창한 탓에 별의 전체적인 크기는 증가했고 중심 부분의 온도는 상승했지만 표면의 온도가 떨어졌기 때문에 겉이 낮은 온도로 인식되어 붉게 보이게 됩니다. 이러한 상태를 적색 거성이라고 합니다.

행성상성운과 백색 왜성

태양 정도의 질량을 가진 별의 경우 중심의 온도가 1억 K(켈빈)보다 높아 헬륨 핵융합을 통해 탄소와 산소를 만들 수 있습니다. 하지만 질량이 작아 적색 거성이 되어버리면 탄소 핵융합을 할 정도까지 중심 온도가 올라가지 않죠. 결국 탄소로 구성된 별의 중심 부분은 계속 수축하고, 바깥 부분은 수소 껍질 층의 연소로 팽창하는 결과로 이어집니다. 이 과정에서 팽창하는 바깥 물질은 기체의 형태로 우주 공간에 방출되어 행성상성운을 형성하고, 헬륨이 소진되어 수축하는 별의 중심 부분은 백색 왜성이 됩니다. 백색 왜성은 비교적 온도가 높은 천체이기 때문에 백색으로 보이지만, 별의 중심 부분만 수축했기 때문에 크기가 작아서 어둡게 보입니다.

질량이 큰 별의 마지막 단계에서의 내부 구조

질량이 큰 별의 성장 마지막 단계에 해당하는 별의 내부 구조입니다. 핵융합을 통해 철까지 만들 수 있죠. 태양 정도의 질량을 가진 별과 마찬가지로 연소 층이 핵융합을 하고 있는 층입니다.

태양 질량의 이상의 질량을 갖는 별의 최후

질량이 큰 별도 질량이 작은 별과 마찬가지로 중심핵에서 수소가 고갈되면 중심 부분은 수축하고 바깥 부분은 부풀어 오르는 거성의 단계를 거칩니다. 하지만 질량이 커서 중심 부분이 조금만 수축해도 많은 에너지가 발생하여 높은 온도로 올라가게 되죠. 즉, 무거운 별의 중심부는 온도가 충분히 높기 때문에, 탄소, 산소, 규소 등의 원소가 차례로 핵융합 반응을 일으킬 수 있습니다. 별의 중심부에는 연속적으로 반응이 일어나 마지막으로 안정한 철이 생성되죠.

초신성

질량이 태양에 비해 12배 이상 큰 질량의 별의 경우 마지막 단계의 핵융합이 끝나면 급격한 중력 수축이 일어나면서 물질들이 중심핵에 부딪혀 강력한 폭발을 일으키는데요. 이것을 초신성이라고 합니다. 초신성 폭발의 결과, 별의 핵을 제외한 모든 물질이 날아가 버립니다. 초신성이 발생할 때의 별의 밝기는 하나의 작은 은하의 밝기와도 비슷한 정도이죠.

중성자별과 블랙홀

초신성 폭발을 통해 최후를 맞은 질량이 큰 별은 별의 중심부에 고밀도의 중성자별이나 블랙홀을 남기고 죽음을 맞이합니다. 백색 왜성의 질량의 최대치는 태양 질량의 1.4배인 반면, 태양 질량의 12배 이상인 별은 초신성 폭발로 외곽층을 날려버린 이후에도 남은 부분의 질량이 태양 질량의 1.4배를 넘게 되죠. 이 경우, 태양 질량의 1.4배를 넘는 큰 질량의 중력 수축으로 인해 중심부의 밀도가 매우 높아지면서 전자와 양성자가 결합하여 중성자를 생성하게 됩니다. 결국, 별은 중성자로만 이루어진 상태가 되어 이를 중성자별이라고 하죠. 중성자별은 태양의 1.4 ~ 2.8배 질량을 가지는데 크기는 10~20 km에 불과합니다. 밀도는 원자핵의 밀도와 맞먹죠. 내부가 중성자의 유체로 구성되었으리라 추정하고 있습니다. 대부분의 중성자별은 매우 빠르게 자전하며 매우 짧은 주기의 신호를 보내오기 때문에 펄서라고 불리기도 합니다. 만약, 초신성 폭발 이후 남은 부분의 질량이 태양 질량의 3배가 넘게 되면, 천체는 중력 수축을 멈출 수 없게 되어 자체 중력이 다른 어떠한 힘보다 강해 완전히 한 점으로 붕괴한 천체, 즉 블랙홀을 형성하게 됩니다. 블랙홀은 중심핵이 한 점으로 수축하였으므로 밀도가 무한대죠. 빛조차도 블랙홀의 중력권을 탈출할 수 없습니다. 블랙홀에 대해 더 궁금하시다면 저의 지난 포스팅 물리학도가 들려주는 인터스텔라를 더 재밌게 보기 위한 18가지 이야기 혹은 @beoped 님의 포스팅 중력파와 블랙홀-1 [이론소개], 중력파와 블랙홀-2 [블랙홀의 생성과정과 중력파 발생], 블랙홀과 열역학을 참조하시기 바랍니다.

별의 밝기, 온도, 크기

별의 광도를 결정하는 중요한 요소는 별의 온도와 크기입니다. 별의 반지름이 클수록, 온도가 높을수록 별은 밝게 보이죠. 적색 거성은 표면 온도가 낮기 때문에 붉게 보이지만 표면적이 매우 크게 증가하므로 밝기가 크게 증가합니다. 백색 왜성은 온도가 낮은 외곽층이 방출되고 뜨거운 핵 부분이 남은 상태이지만 크기가 매우 작아졌기 때문에 어둡게 보입니다. 이름으로만 판단하면 백색 왜성이 밝아 보일 것 같지만 실제로는 적색 왜성이 더 밝아 보이는 이유가 바로 이 때문입니다.