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항성의 탄생

항성의 탄생
항성 그리고 별
항성은 우리가 흔히 알고 있는 별의 또 다른 이름이다. 별은 영원에 비유되기도 하며, 항상 밤하늘에 존재한다. 하지만 이런 영원의 상징인 별에게도 탄생과 죽음이 있다. 단지 우리는 그 변화를 느끼지 못하는 것일 뿐이다. 그 이유는 우리가 평생을 지내는 시간이 별이 평생을 지내는 시간에 비하면 극히 작은 시간이기 때문이다. 인간의 평균 수명이 대략 100년인 것에 비하여, 평범한 별인 태양의 수명은 대략 100억 년이다. 이는 인간이 수십 세대에 걸쳐 태양을 관측한다 하더라도 태양의 1/수천만에 해당하는 삶을 볼 수 있는 것이다. 쉽게 예를 들어보면, 하루살이가 하루를 살며 인간의 모습을 관측하는 것과 유사하다.

우리는 가끔 뉴스나 신문 등을 통해 별이 폭발했다는 소식을 듣는다. 이렇게 폭발하는 별을 '신성' 또는 '초신성'이라고 부르는데 이것은 별이 죽음에 이르는 순간을 말한다. 또한 별이 태어나고 있거나 또는 막 태어난 영역을 발견했다는 소식도 가끔 들을 수 있다. 여기서는 별이 태어나게 되는 과정에 대해서 살펴볼 것이며, 더 나아가서 별들이 태어나 어떤 삶을 살고, 마지막 순간에는 어떤 현상을 보이는지에 대해서 알아보게 될 것이다.
항성 탄생 메커니즘(Mechanism)
별의 탄생 메커니즘은 우주공간에 존재하는 성간 물질(Interstellar Medium, ISM)과 관련이 깊다. 이 성간 물질은 우주공간에 존재하는 기체와 먼지들을 뜻하며, 이것들로부터 별이 탄생한다고 알려져 있다. 그러나 성간 물질이 있는 모든 곳에서 별이 탄생하는 것은 아니다. 별은 성간 물질의 밀도가 높고, 온도가 상대적으로 낮은 곳에서 태어난다고 알려져 있다. 성간 물질의 밀도가 높고 온도가 낮은 영역에서는 물질들의 운동에너지가 적어 비교적 쉽게 성간운이 수축하며, 이 수축으로 인해 중력적으로 더 낮은 에너지 상태를 갖게 된다. 중심의 수축부분이 일정 밀도에 이르면 이 지역은 광학적으로 두꺼워져서 중력붕괴가 단열적 과정이 된다. 그리고 중력붕괴가 단열과정이 되면 압력이 증가하고 정역학적 평형(중력과 압력에 의한 힘이 평형을 이루는 상태)이 이루어진다. 이러한 중심지역에 형성된 천체를 원시별이라 부른다.

성간운이 수축하는 과정이 계속 진행될수록 불투명도(Opacity)가 증가하면서 중심 온도가 높아지게 된다. 그리고 수축 초기에는 대부분의 성간운이 수소분자(H2)로 이루어져있으나, 중심온도가 약 1800K까지 올라가게 되면 수소분자가 해리되어 수소원자가 된다. 이 해리되는 과정은 흡열과정이며, 압력에 기여해야할 에너지들이 해리 과정에서 소모되면, 정역학적 평형을 이룰 수 없게 된다. 따라서 원시별의 중심은 다시 수축을 시작하고 주변의 물질들은 계속해서 유입된다. 원시별의 내부 온도가 충분히 높아지면 중심핵에서 핵융합반응이 시작되고, 여기서 나오는 에너지로 압력에 의한 힘이 중력과 평행을 이루게 된다. 이제 별은 안정된 주계열별이 된다.
탄생영역
오리온 대성운
우주 공간에는 수많은 먼지와 기체 그리고 우리가 살고 있는 지구와 같은 행성들, 우리에게서 가장 가까이 있는 별인 태양과 같은 별들이 무수히 많이 존재한다. 여기서 먼지와 기체들을 별과 별사이에 존재하는 물질이라 하여 성간 물질이라고 하는데, 별들은 바로 이 성간 물질로부터 태어난다.

사진은 유명한 오리온자리 대 성운(M42, Messier 42)의 중심 영역이다. 왼쪽 가운데 부분에 빛나는 네 개의 별이 있는데, 이를 트라페지움(Trapezium)이라 한다. 이 트라페지움의 주변을 보면 가스와 먼지로 둘러싸인 희미한 별들이 있는 것을 발견할 수 있는데, 천문학자들은 이 희미한 별들이 새로운 항성계를 형성하고 있다고 추측하고 있다.
원시성
별 탄생의 초기과정이 끝나고 정역학적 평형 상태에 도달한 별을 원시성 또는 원시별이라 한다. 이 원시별의 주변에 있던 물질들은 계속해서 표면으로 떨어지고, 원시별의 질량, 온도, 그리고 밀도가 증가하게 된다. 이렇게 증가한 원시성의 내부 온도는 바깥쪽보다 높아서 중심의 에너지가 원시성의 바깥쪽으로 대류에 의해 전달된다. 이러한 에너지 전달 과정을 거쳐서 원시별은 서서히 밝아지기 시작한다. 원시별의 주변에는 고밀도의 가스와 먼지로 둘러 쌓여있어서 가시광의 관측이 힘들고, 적외선관측과 분광기를 이용한 관측으로 원시별을 연구하고 있다.
최종수정일

2017년 6월 19일