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별들의 종류
2017-02-28
별2
앞서 우리는 태양과 비슷한 질량을 가진 별들의 진화에 대해 알아보았습니다. 백색왜성과 행성상 성운을 남기는 태양과 비슷한 질량의 별들 외에도 넓디넓은 우주에는 많은 별들이 존재하는데요. 이 시간에는 좀 더 다양한 별들에 대해 알아보겠습니다.
우리가 잘 알고 있는 행성 수성, 금성, 지구 등은 태양의 질량보다 매우작습니다. 질량이 작은 이런 행성들은 핵융합을 일으키기 못하고, 스스로 빛을 내지 못하기 때문에 별이 되지 못하는데요.
그렇다면 행성들 보다는 질량이 많고 태양의 약12분의 1배 보다 작은 질량을 가진 별들, 항성과 행성 사이 모호한 영역에 있는 천체들은 우리는 무엇이라고 부를까요? 이런 천체들은 행성보다는 크기가 커서 잠깐 동안 에너지를 생성할 수는 있지만, 헬륨을 만들 수 있을 만큼 뜨거워지지 못하여 별이 되지 못하는데요. 이런 천체들을 우리는 갈색왜성이라 합니다.
이 갈색왜성과 비교했을 때 질량이 커서 주계열에 오르지만 태양과 비슷한 질량의 별들처럼 헬륨을 융합시키지 못하고 핵이 헬륨상태에서 멈춰버린 천체를 우리는 헬륨으로 이루어진 백색 왜성이라 부릅니다. 이렇게 백색왜성이 되는 별들은 초기질량이 태양의 4분의1보다 작다고 해요.
그리고 이보다 질량이 조금 더 큰 태양과 비슷한 질량의 별들은 헬륨 연소과정을 통해 적색거성이 된 다음, 외부대기는 우주공간으로 방출되어 행성상 성운을 형성하고. 마지막으로 탄소와 산소로 이루어진 핵만 남아, 전형적인 백색왜성이 됩니다.
처음 거성이 될 때 항성은 잠시 헬륨 핵반응으로 안정기에 접어들었다가 또 다시 거성이 되는데요. 행성상 성운이 되기 전에 태양보다 질량이 두 배 이상 높은 별들은 더욱 크고 거대한 거성이 되기도 하는데, 이들은 너무 밝고 커서 초거성이라고 부릅니다.
태양의 질량에 약 세 배에서 열다섯 배 되는 이런 별들 역시 백색왜성으로 남게 되지만 왜성을 이루는 물질은 전형적인 백색왜성과 다르다고 합니다. 탄소로 이루어진 것이 아니라 산소 네온 마그네슘으로 이루어져 있는데요. 이는 탄소가 핵반응을 하여 보다 무거운 원소들을 만들어낸 결과입니다. 그리고 최근에는 이러한 질량을 가진 별들이 초신성이 되는 경우를 발견하기도 하였습니다.
지금까지는 태양 질량의 열다섯 배 이하인 별의 생애에 대해 알아보았습니다. 이제 질량이 이보다 큰 별들에 대해 알아 볼 텐데요. 구성성분이 다른 백색왜성에서 끝을 맺었지만 초기질량이 태양의 열다섯 배 이상이 되면 별은 더 이상 백색왜성에서 멈출 수 없게 됩니다. 그렇다면 이런 질량이 큰 별들은 어떻게 될까요?
-인터뷰-
이렇게 중력에 대항해야하는 에너지는 철의 변화에 쓰이게 되고, 중심핵은 한없이 수축해져만 갑니다.
-인터뷰-
여기서 잠깐, 중성자별이 되기 전의 별로 돌아가서 핵의 바깥부분을 살펴볼까요? 보이는 것처럼 핵의 외부는 양파껍질처럼 층으로 되어있답니다.
층으로 되어 있어 철, 산소, 헬륨 등 여러 원소들로 핵융합을 하던 핵이 어느 날 수축을 멈추게 되는데요. 이때 그 충격으로 바깥층이 폭발하듯 날아가 버립니다. 별의 진화 마지막 단계인 이런 현상을 우리는 초신성 또는 초신성폭발이라 부릅니다.
초신성이 된 별은 하나의 작은 은하의 밝기와 비슷할 정도로 밝아지며, 몇 주에 걸쳐 다시 천천히 어두워집니다. 이러한 초신성의 폭발은 우주공간에 산소보다 무거운 원소들의 주요공급원이 되었고, 몇몇 주요 원소들의 유일한 공급원이 되었습니다.
이제부터는 이보다도 더욱 큰 질량을 가진 별의 종착지에 대해 알아보겠습니다. 이 별들 역시 초신성폭발을 겪으며 밝게 빛을 내는데요. 이때 남아있는 중성자로 이루어진 핵이 조금 다른 변화를 시작합니다.
엄청난 질량을 가진 이 별들은 어떻게 변할까요? 엄청난 밀도로 더 이상 압축할 수 없는 중성자별과는 달리 핵의 질량이 태양의 3배가 넘는 무거운 별들은 그 상태에서 자신의 무게를 이기지 못해 붕괴하게 됩니다. 결국 별의 핵은 무한히 압축되어지고 탈출속도는 빛의 속도를 넘어서게 되는 것이죠. 천체를 탈출하는데 필요한 속도가 우주에서 가장 빠르다고 알려진 빛의 속도보다 빠르다면 그 무엇도 그 천체를 탈출할 수 없겠죠.
빛을 포함한 모든 것이 탈출할 수 없는 이 천체를 우리는 블랙홀 또는, 검은 구멍이라고 부릅니다.
그렇다면 태양계에서 가장 큰 태양은 블랙홀이 될 수 있을까요? 우리가 흔히 바라보고 있는 태양은 지름이 약 150만km인데요. 불가능한 일이지만 이론상 태양이 블랙홀이 되려면 약 6km 정도로 압축되어야 한다고 합니다.
-인터뷰-
가장 유명한 블랙홀의 후보는 백조자리에 있는 X-1천체입니다. 이외에도 종종 블랙홀의 후보가 발견되고 있는데요. 현재는 이 쌍성으로의 블랙홀발견 이외 은하 중심의 블랙홀의 존재 증거도 발견되고 있다고 합니다.
지금까지 진화에 따른 별의 종류를 알아 보았습니다. 가장 많이 보이는 주계열성, 보통의 별의 종착지인 백색왜성, 진화중간에 보이는 적색거성, 초거성, 초신성 등 그리고 중성자별, 블랙홀까지 초기별의 질량에 따라 여러 가지 형태의 별들을 보았는데요. 이제부터는 이 외에, 소개하지 않은 몇 가지 별들을 소개하겠습니다.
먼저 쌍성에 대해 알아보겠습니다. 쌍성은 서로 주위를 돌면서 중력에 의해 묶여있는 두 개의 별을 말하는데요. 두 별은 서로 중력으로 묶여있기 때문에 우리는 그 두 별의 질량을 계산할 수 있고, 지구와 일직선상에 있을 때 식이 일어나 광도가 변하는 것을 이용하여 별들의 직경을 구할 수 도 있다고 합니다.
이렇게 쌍성에서 식이 일어날 때 광도가 변하는 것을 보고 식변광성이라고 하는데요. 식변광성에서의 변광성이란 말은 별 중에서 밝기가 변하는 별을 가리키는 말로, 그 원인에 따라 식변광성, 맥동변광성, 폭발변광성으로 나뉘게 됩니다.
식변광성과 맥동변광성은 주기적으로 별의 광도가 달라지는데요. 식변광성의 경우 어두운 별이 밝은 별을 가릴 때는 밝기가 급격히 떨어지고 밝은 별이 어두운 별을 가릴 때는 밝기가 조금 떨어지는데 그치게 됩니다.
변광성 중 특히 맥동변광성은 별의 내부 구조가 불안정하여 수축과 팽창을 되풀이하면서 별의 밝기가 주기적으로 변하는 것을 말하는데요. 대표적으로 맥동변광성인 세페이드 변광성은 변광 주기가 광도와 비례합니다. 이를 통해 별의 절대등급, 거리등을 알 수 있어 천문학자들의 주요 관심거리가 되고 있습니다.
이제 폭발변광성을 보면 별의 내부나 표면층이 불안정하여 폭발하면서 갑자기 밝아졌다가 서서히 어두워지는 것을 우리는 폭발변광성이라 말합니다. 앞에서 배웠던 초신성을 예를 들 수 있고, 또한 이번에 언급할 신성을 예를 들 수 있습니다.
-인터뷰-
보통 이런 신성도 매우 밝아지지만 그보다 초신성은 수천 배 이상 밝아진답니다.
지금까지 우리는 여러 종류의 별을 만나 보았습니다. 별이 되지 못한 행성과 갈색왜성에서부터 신비한 블랙홀 등... 매일 하늘을 보며 같은 별들로만 이루어져있는 줄만 알았던 밤하늘이 오늘따라 신비롭게만 보이는 것 같나요? 우주, 그리고 별은 우리에게 무한한 상상력의 세계로 인도하고 있습니다.
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