태양의 운명과 별의 일생

1. 별의 일생

별의 일생은 초기 원시 별의 질량에 따라 달라진다.
물질이 자체의 중력으로 뭉쳐지면 별을 형성하는 데 최적의 장소가 됩니다.
집합된 중력이 강하게 견인되어서 중심 온도가 높아지면서 핵융합이
발생하면서 별을 모습을 갖추게 됩니다. 대부분이 수소인 가스 덩어리로 중심은
밀도와 온도가 매우 높고 뜨겁습니다. 
핵이 융합되면 결합한 질량이 원래 둘의 합계보다 약간 적으며 그 차이가 누출된 에너지의 
크기입니다. 별은 수백만년에서 수십억 년 동안 핵융합을 유지합니다.

별은 질량에 따라 수명이 다르다. 별이 맞이할 마지막 단계는 백색왜성, 중성자성, 블랙홀이다.
성간물질의 중력으로 압축하여 중심 영역의 압력과 온도가 상승하면 핵융합 단계로 진입한다.
태양 질량 정도의 천체는 약 1000만 년쯤 되는 기간 중력 수축을 통해 중심 영역에서
4개의 양성자가 1개의 헬륨 원자핵으로 전환하는 핵융합을 한다. 중심핵이 수소 핵융합하는 단계의 
별을 주계열성이라 한다.
초기 질량이 태양 질량의 1.4배가 되지 않는 별들은 주계열성 상태로 수십억 년 이상 지낸 후
적색 거성이 된다.
적색거성은 변광성 단계를 거쳐 외곽의 가스를 거대 항성풍으로 분출하고, 중심 영역의 고밀도
핵만 남아서 백색왜성이 된다. 초기 질량이 태양 질량의 대략 10배가 넘는 별들은 주계열성 단계에서
벗어나 초거성이 되고, 타입 2 초신성(supernova)일 경우 폭발한다. 타입 2 초신성은 폭발 후 지구
크기만 한 철로 된 중심핵을 생성한다. 중심핵이 철로 된 초신성이 중력 수축을 계속하여 중성자성이 된다.
타입 2 초신성 중 초기 질량이 태양의 수십 배 이상이 되는 별의 중심핵은 폭발 후에 강한 중력 수축으로
빛도 탈출할 수 없는 블랙홀이 된다. 빅뱅 후 약 5억 년 지나 생성된 최초의 별 중에선 태양 질량의
100배 정도로 무거운 별들이 많은데, 이들은 100만 년 정도의 짧은 삶을 살다 마지막에 폭발해
블랙홀이 된다. 양성자와 양성자가 핵융합하는 순간에 별이 탄생하고, 그 마지막엔 초기 질량에
따라 백색왜성, 중성자성, 블랙홀이 된다.
별의 마지막 운명은 별 탄생 시 초기 밀도가 결정한다. 밀도는 단위 부피당 질량이다.

 

 

2. 태양의 절대등급

 

태양의 절대등급은 4.8등성으로 은하수 변두리의 평범한 별이다.
절대등급(absolute magnitude)은 별을 32.6광년 거리에서 본, 본래 별이 가진 밝기의 등급이다.
태양의 핵융합 첫 단계인 양성자-양성자 핵융합 과정의 확률이 매우 낮아서 태양은 주계열 단계에서
거의 100억 년 동안 머물면서 수소 핵융합을 할 수 있었습니다.
태양은 주계열성 단계에서 46억 년을 살아왔고, 앞으로 약 50억 년 후에는 중심핵의 수소 핵융합으로 
전환되는 단계로 진입한다. 중심핵에 수소가 고갈되어 중심핵 둘레의 헬륨이 핵융합하는 단계가 
바로 적색거성이다. 중심핵 외곽의 헬륨이 고온고압으로 핵융합하여 탄소가 생성되는 과정에서
별이 반지름이 10배 이상 증가한다. 이에 따라 태양의 표면적은 수백 배 이상으로 증가하고, 표면온도가
3000도 정도로 낮아져 크고 붉은 적색거성이 됩니다.

태양이 적색거성 단계가 되면 팽창하는 태양 속에 지구가 포함되어 지구의 표면은 모두 녹아버린다.
적색거성 단계에서는 헬륨이 탄소로 변환되는 핵융합이 지속되기 때문에 태양의 중심부에서
탄소가 축적되기 시작한다. 태양 질량 정도의 별은 중심 온도가 3억 도에 도달하기 어려워 탄소 핵융합이
일어나지 않는다. 중심핵의 탄소는 핵융합을 하지 않지만 헬륨과 수소가 순차적으로 핵융합하는
점근 거성 가지별이 됩니다.

 

3. 운명

태양이 점근 거성 가지별이 되면 태양의 외곽이 급격히 팽창하고, 그 결과 표면층이 급속히 식어가는 맥동변광성
이 된다. 맥동변광성은 별이 팽창과 수축을 되풀이하면서 핵융합에 의한 결과로 생성된 원소들을
거대 항성풍(stellar winds)으로 대량 분출하는 단계의 별이다.
맥동변광성을 거친 태양이 외곽 물질들을 성간물질로 분출하면서 중심핵은 탄소가 강한 중력으로 퇴화한 상태의
별이 된다. 중심핵의 탄소가 강한 중력으로 퇴화하면 다이아몬드가 된다.
우리은하에서도 다이아몬드 별이 여러 개 발견되었습니다. 주계열성이 된 태양은 100억 년 후 적색거성에서 
점근 거성 가지별이 된다. 이 단계는 수 억 년 정도 진행되고, 맥동변광성에서 마지막 백색왜성이 되는 단계는
수백만 년의 짧은 시간 동안 진행된다. 태양의 일생은 별이 되는 1000만 년 정도의 중력 수축 단계, 중심핵에서
수소가 핵융합하는 100억 년의 긴 주기 계열성 단계, 적색거성에서 백색왜성이 되는 수억 년의 단계로 구분된다.
마지막 백색왜성은 광자를 방출하면서 서서히 에너지를 잃게 되어 어두운 흑색 왜성이 될 수 있습니다.

별의 일생은 중력과 핵력의 균형을 향한 물질과 에너지의 순환 과정입니다.
별에서 물질 변환은 +베타붕괴를 동반하는 핵융합 과정이고 에너지는 광자 형태로 방출됩니다.