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항성의 구조

항성의 구조
중심핵
태양 내부구조
항성 중심부에서 원자핵이 융합되면서 감마선 형태의 에너지를 발산한다. 이 광자들은 주변 플라즈마와 반응하여 중심핵에 열에너지를 공급한다. 주계열 단계에 있는 항성들은 수소를 헬륨으로 변환하면서, 느리면서도 지속적으로 중심핵 부분에 헬륨을 누적시킨다.

안정된 항성 내부는 유체 정역학적 평형 외에도 열적 평형으로 불리는 안정적인 에너지 상태를 유지한다. 항성의 내부의 온도는 중심에서 외부로 갈수록 낮아지는 분포를 보인다. 이로써 열 흐름은 내부에서 바깥쪽을 향하게 된다. 항성 내부 모든 층에서 외부로 흘러나가는 에너지 흐름과, 아래에서 위층으로 밀려 올라오는 흐름은 그 양이 정확히 일치한다.
복사층
복사층은 복사열 전달로 에너지 흐름이 효율적으로 유지되는 구간이다. 복사층에서 플라즈마는 비교적 안정한 상태로 존재하며 큰 움직임은 없다. 그러나 이 안정된 상태가 깨질 경우 플라즈마는 불안정해지고 대류 작용이 발생하며, 대류층을 형성하게 된다. 이런 현상은 외곽층처럼 불투명도가 높은 곳이나, 또는 중심핵 부분과 같이 높은 에너지 흐름이 발생하는 곳에서 일어날 수 있다.
대류층
대류층이란 에너지가 대류의 형태로 전달되는 구간을 말한다. 주계열에 있는 별에서 대류층이 생겨나는 장소는 질량에 따라 결정된다. 태양보다 몇 배 무거운 항성들은 항성 내부 깊은 곳에 대류층이 있으며 바깥쪽에 복사층이 둘러싸고 있다. 태양처럼 상대적으로 질량이 적은 별은 이와 반대로 복사층이 깊은 곳에 있고 대류층이 항성 바깥쪽을 싸고 있다. 태양 질량보다 질량이 적은 적색 왜성은 항성 내부 전체가 대류층으로 형성되어 있어서 중심핵에 헬륨이 쌓이지 않는다. 그리고 대부분의 별 내부의 대류층은 별이 나이를 먹거나 내부 구성 상태가 변화하면서 여러 가지 형태로 바뀐다.
광구
눈으로 관측되는 항성의 표면을 광구라고 부른다. 이곳은 항성의 플라즈마가 빛 형태의 광자로 투명하게 바뀌는 층이다. 중심핵에서 생성된 복사 에너지는 광구를 떠나면서 우주 공간으로 자유롭게 퍼져 나간다. 광구 표면에는 흑점이 생기는데, 이는 주변보다 상대적으로 온도가 낮기 때문에 검게 보이는 것이다.
항성대기
태양대기
광구보다 높은 고도에는 항성 대기가 펼쳐진다. 태양과 같은 주계열에 있는 별의 항성 대기 중 최하단부는 채층으로, 이곳에서는 스피큘(spicule, 제트 기체)이 발생하고 항성 플레어가 생겨난다. 채층에서 조금 더 밖을 보면, 온도가 급격하게 상승하는 지역을 볼 수 있다. 이는 코로나로, 극도로 뜨겁게 가열된 플라즈마가 넓게 퍼져 있는 영역이다. 코로나의 온도는 극도로 뜨겁지만 빛의 발산량은 미미하다. 태양의 경우 코로나 지대는 보통 일식 현상 중에만 관측이 가능하다.
항성풍
항성풍이란 별에서부터 이온과 전자 등 물질들이 바람의 형태로 방출되는 현상을 말한다. 항성풍은 별에서부터 플라즈마 입자 형태로 우주공간에 퍼져 나가면서 성간물질과 반응한다. 태양의 경우, 태양 코로나에서 뿜어져 나온 태양풍이 태양계 전체로 퍼져 나가며, 지구는 물론 다른 행성들에도 영향을 준다.
내부 평형
정유체역학적 평형
대부분의 평범한 별은 온도가 매우 높기 때문에 별 내부는 가스 상태로 존재한다. 이 가스 상태의 물질은 자체의 중력에 의해서 뭉쳐져 있는 동시에 내부 가스압력에 의해 붕괴되지 않고 지탱되면서 그 모양을 유지하고 있는 것이다. 이처럼 별은 안으로 향하는 중력과 밖으로 향하는 압력이 별 내부의 모든 점에서 완전히 평형을 이룬 구의 형태로 존재한다. 이러한 상태를 정유체역학적 평형 상태라고 한다.

주계열성 중심핵에서 수소를 태워 생기는 온도 및 압력 때문에, 항성은 핵융합 작용이 일어날 환경을 확보하며, 동시에 자체 중력으로 인해 붕괴하지 않고 형태를 유지할 수 있는 것이다.
에너지원

열핵반응
별은 질량과 화학구성에 따라 중심핵에서 서로 다른 핵융합 과정이 발생한다. 이 과정에서 융합된 분자핵의 총질량은 융합전의 총 분자의 질량보다 적다. 이 손실된 질량은 아인슈타인의 상대성 이론에서 등장한 E = mc2 공식에 따라 에너지로 바뀌는 것이다.

수소 핵융합 과정은 온도에 민감하기 때문에, 중심핵의 온도가 조금만 올라가도 핵융합의 강도는 막대하게 증가한다. 실제로 주계열에서 가장 뜨거운 O형 항성의 경우 중심 온도는 4천만 켈빈까지 올라간다고 하며, 가장 어두운 M형 왜성의 중심부 온도는 4백만 켈빈 정도밖에 되지 않는다고 한다. 태양 중심핵 온도는 대략 1천만 켈빈이며, 양성자-양성자 연쇄 반응(p-p chain)을 통하여 수소를 헬륨으로 융합한다. 이 핵반응에 필요한 온도는 약 107K이며, 이 중심온도가 되기 위한 한계질량은 태양의 1/10 정도이다. 그리고 목성은 질량이 이보다 작아 별이 되지 못한 천체이다.

주계열성에서, 태양과 같은 별의 주요 에너지원은 수소핵융합반응일 것으로 생각되며, 중심핵에서 수소가 헬륨으로 바뀜에 따라 평균분자량이 변하여 별의 모형도 바뀌게 된다.

           41H → 22H + 2e+ + 2νe
21H + 22H → 23He + 2γ

         23He → 4He + 21
   
이러한 반응은 총체적으로 아래와 같은 반응으로 나타난다.

41H → 4He + 2e+ + 2γ + 2νe

여기서 e+는 양전자, γ는 감마선 광자, νe는 중성미자, H와 He는 수소 및 헬륨의 동위 원소이다. 앞의 반응에서 발산되는 에너지는 수백만 전자볼트로, 이는 실제 에너지의 극히 일부분에 불과하다. 그러나 이런 반응을 수없이 꾸준하게 반복함으로써, 항성은 복사압을 유지하는 데 필요한 에너지를 생산한다.

양성자-양성자 연쇄가 태양 혹은 그 이하 질량을 가진 항성에서 중요한 것에 비해, CNO 순환(CNO cycle)은 상대적으로 무거운 항성에서 훨씬 중요한 에너지원이다. 그리고 CNO 순환은 1938년 한스 베테(Hans Albrecht Bethe)가 제안하였다.

CNO 순환 과정의 반응은 다음과 같다.

12C + 1H → 13N + γ
      13N → 13C + e+ + νe
13C + 1H → 14N + γ
14N + 1H → 15O + γ
       15O → 15N + e+ + νe
15N + 1H → 12C + 4He 

이 과정의 결과를 살펴보면, 네 개의 양성자가 하나의 알파 입자(즉 헬륨 원자핵)와 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자를 형성하며, 감마선을 통해 에너지를 방출한다. 탄소, 산소, 질소는 촉매의 역할을 한다.

무거운 별 내부에서는 중심핵이 수축하면서, 네온 연소 과정 및 산소 연소 과정 등을 통해 더 무거운 원소를 태울 수 있다. 별 내부 핵융합의 가장 마지막 단계는 안정된 철(Fe)을 생산하는 규소 연소 과정이다. 이 단계까지 오면 에너지는 중력 수축을 통해서만 생산될 수 있게 된다.
양성자-양성자 반응
양성자-양성자 반응
CNO 순환
CNO 순환
중력수축
중력 수축이란 중력에 의하여 수축해지는 현상을 말하며, 이는 중력에 대항하는 내부압력에 의한 힘이 중력보다 약해질 때 발생한다. 이때 생기는 중력위치에너지는 운동에너지로 전환될 수 있다. 그리고 운동 에너지의 한 가지 형태가 '열'이다. 매우 천천히 수축하고 있는 별을 가정해 볼 때 내부의 열에너지는 자신의 중력에 맞서 별을 지탱하는 압력에 힘을 더해 준다. 이때의 압력은 가스 입자의 무질서한 운동 때문에 생긴다. 별이 수축하면서 반지름이 줄어들고, 자신의 중력은 증가된다. 따라서 내부의 압력 또한 정유체역학적 평형을 유지하기 위해서 증가되어야 한다. 그리고 이 계의 총 에너지가 보존되려면 위치에너지 변화량의 절반 정도가 외부로 복사되어야 하는데, 이것은 별의 광도로서 나타난다. 이러한 결과는 일반적으로 적용되는 것으로 '비리얼 정리'(Virial Theorem)라고 불린다. 이 정리는 질량이 중력 수축하면 중력 위치 에너지의 절반은 열에너지로, 나머지 절반은 복사에너지로 전환됨을 알려주고 있다.
최종수정일

2017년 6월 20일