별의 생애와 진화는 우주에서 별이 태어나고 소멸하는 일생의 과정을 다룬다. 이 글에서는 H-R도를 통해 별들이 어떻게 분포하는지 살펴보고, 별의 에너지원과 다양한 종류의 별에 대해 분석한다. 또한, 별이 주계열성으로 수명을 유지한 후 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀 등 마지막 단계에 이르는 과정을 탐구한다.
목차
1. H-R도
1) 덴마크의 에이나르 헤르츠스프룽과 미국의 헨리 러셀의 연구
덴마크의 에이나르 헤르츠스프룽(Ejnar Hertzsprung, 1873~1967)과 미국의 헨리 러셀(Henry Russell, 1877~1957)이라는 두 명의 천문학자는 1913년부터 각기 독자적으로 모든 별의 절대 등급과 표면 온도 사이의 관계를 나타낼 수 있는 이차원 도표를 만들었다. 헤르츠스프룽-러셀 도표 또는 간단히 H-R도라 불리는 이 도표는 천체물리학자들이 별의 속성 및 진화를 연구하는 데 사용되는 기본적인 도구이다.
2) H-R도의 구조와 의미
H-R도에서 각각의 별은 점으로 나타내며, 가로축은 표면 온도를, 세로축은 절대 등급을 나타낸다. 다음 그림에서 1, 2, 3은 초거성으로, 반지름이 태양의 100배 이상이나 되는 매우 밝고 큰 별이며, 4는 밝은 거성이다. 5는 반지름이 태양의 10~100배 정도의 큰 별로, 광도는 태양의 10~1000배 정도인 거성이고, 6은 주계열성보다는 조금 밝고 거성보다는 어두운 별인 준거성이다. 7은 태양이 속해 있는 주계열성들로, 주계열성들은 별의 중심부에서는 수소 핵융합 반응으로 빛을 내고, 질량이 클수록 표면 온도가 높고 더 밝다. 8은 태양 질량의 1.4배 이하인 별들이 진화하여 된 마지막 단계의 별들로, 크기는 지구 정도이며 평균 밀도가 매우 높고 온도가 높은 백색 왜성이고, 9는 적색 왜성을 나타낸다. H-R도는 별의 생애와 진화를 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
3) H-R도의 분포 영역
앞 그림에서와 같이 별들은 도표 전면에 고루 분포해 있지 않고 몇 개의 영역으로 나뉘어져 있다. 헤르츠스프룽과 러셀이 도표를 만들었을 때, 그들은 별들이 왜 그런 식으로 분포하는지 이해하지 못했다. 20세기에 들어 핵물리학과 관측 기술이 발전하면서 이런 분포가 조금씩 해석되기 시작했다. 도표에 나타난 각 영역은 우리가 살펴보게 될 별의 종류를 나타낸다. 그에 앞서 별의 에너지원에 대해 설명해보기로 하자.
2. 별의 에너지원
1) 별의 에너지 방출 원리
태양과 모든 별이 수십억 년 동안 어떻게 그처럼 엄청난 에너지를 내는 복사를 방출할 수 있는지를 이해하기 위해서는 원자핵의 구성 요소를 알아야 했다. 중성자만 하더라도 1932년에야 발견되었던 것이다. 중성자는 원자핵을 이루는 구성 입자로, 전하를 가지고 있지 않으며, 전기적으로 중성을 띤다. 양성자는 원자핵의 구성 요소가 되는 소립자의 하나로, 양전하를 가지며 전기량은 전자와 같다.
1938년 미국의 물리학자 한스 베테(Hans Bethe, 1906~2005)는 별의 에너지원이 되는 핵융합 반응의 최초 사이클을 발견했다. 별의 주성분은 수소이며, 수소 원자의 핵을 구성하는 양성자의 융합은 실로 엄청난 에너지를 낸다. 이 반응은 아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙에 따라 양성자 질량의 일부인 m이 파괴되어 에너지 E를 내면서 일어난다(E=mc²). 이 반응 동안 4개의 양성자와 2개의 전자가 헬륨 원자로 변하며, 이때 2개의 중성미자와 감마선을 방출한다. 이 감마선이 별의 핵을 싸고 있는 원자들을 자극해 고온의 에너지를 발생시키는 것이다.
별의 질량이 클수록 핵에서 일어나는 핵반응도 강해진다. 이에 따라 표면 온도도 올라가 방출하는 에너지량이 많아진다. 또한, 크기가 큰 별일수록 표면적도 넓어 광도가 더 높다. 별의 이러한 물리적 특성에 따라 H-R도에는 여러 종류의 별이 분포한다. 별의 에너지원은 별의 생애와 진화 과정에 큰 영향을 준다.
3. 별의 종류와 H-R도 상의 위치
| 위치 | 별의 종류 | 특징 |
|---|---|---|
| 1~3 | 초거성 | 반지름이 태양의 100배 이상, 매우 밝고 큼 |
| 4 | 밝은 거성 | – |
| 5 | 거성 | 태양의 10~100배 크기, 광도는 태양의 10~1000배 |
| 6 | 준거성 | 주계열성보다 밝으나 거성보다는 어두운 별 |
| 7 | 주계열성 | 태양 포함, 수소 핵융합 반응, 질량 클수록 밝고 뜨거움 |
| 8 | 백색 왜성 | 태양 질량의 1.4배 이하, 크기는 지구 정도, 밀도 높음 |
| 9 | 적색 왜성 | – |
별의 종류는 각기 다른 생애와 진화를 거친다.
1) 별의 종류
별의 생애와 진화는 다양한 종류로 나뉜다. 매우 밝은 별, 즉 흔히 하늘에서 별로 보이는 것들은 크기가 아주 큰 것이다. 그들은 광도와 온도가 모두 높다. 이런 별들을 ‘청색 초거성’이라 하며, H-R도의 왼쪽 상단에 위치한다. 같은 광도이지만 표면 온도가 낮은 것은 크기가 그만큼 더 크다는 것을 의미하며, 이런 ‘적색 초거성’들은 H-R도에서 좀 더 오른쪽에 위치한다.
광도가 초거성보다 어두운 순서로 밝은 거성, 거성, 준거성이 있는데, 이런 별들도 표면 온도는 매우 다양하다.
크고 밝은 별과는 반대로 ‘백색 왜성’과 ‘적색 왜성’은 H-R도의 아래쪽에 위치한다. 이런 별들은 온도는 높지만 태양에 비해 아주 미약한 빛을 낸다. 이들은 천천히 꺼져가는 별들로, 차츰 노화하면서 H-R도의 오른쪽으로 옮겨가게 된다.
앞의 H-R도에 나타난 별들은 대부분 어느 정도 밝기 이상의 것들이고, 이런 왜성들은 조금밖에 나타나 있지 않다.
4. 별의 생애와 진화
별의 생애와 진화는 우주의 여러 과정을 통해 설명된다.
1) 별의 탄생
별의 탄생 과정은 완전히 밝혀지지 않았다. 그 생성 이론은 한창 연구되는 중이며, 여러 가지 가설들이 제안되고 있다. 그중 가장 널리 인정받고 있는 것은 다음과 같다.
은하계에는 매우 희박한 성간 물질이 성간운의 형태로 존재한다. 이 중 어떤 것들은 10~100 켈빈 정도의 저온에 밀도도 낮은 수소 원자로 이루어져 있고, 어떤 것들은 먼지와 수많은 분자로 이루어져 있는데, 그 밀도는 좀 더 높으며 온도는 10켈빈 정도로 아주 낮다. 별이 탄생하는 곳은 후자 쪽에서이다.
이러한 성간운은 가령 충격파와 같은 다양한 영향으로 인해 수축하게 되는데, 이렇게 수축하는 동안 밀도가 태양의 60배가량이 되면 구름은 다양한 질량의 원시성들로 나뉜다.
2) 주계열성 (별의 성년기)
주계열성은 별의 생애와 진화에서 중요한 단계이다.
수축에 의해 태어난 별은 일생 중 진화에서 가장 중요한 부분을 지나게 된다. 중심의 수소는 헬륨으로 변하면서 에너지를 제공하고, 열 팽창력은 중력과 평형을 이룬다. 이 시기 동안 별은 H-R도의 주계열에 위치하게 된다. 이 단계는 별의 진화에서 가장 오래 걸리는데, 청색 거성의 경우 수천만 년, 적색 거성의 경우 수백억 년까지 걸린다. 별은 질량에 따라 다양한 핵융합 반응을 거쳐서 자연적인 원소들을 형성한다. 이것은 원자핵 융합이라는 핵반응으로, 오늘날 존재하는 여러 유형의 원자들을 연속적으로 산출한다. 별이 클수록 천체 중심의 온도도 높고, 그래서 점점 더 무거운 원자가 생겨나게 된다.
3) 별의 진화와 소멸
별의 생애와 진화 과정에서 별은 다양한 형태로 소멸한다.
별은 질량에 따라 소진되는 속도가 다르며, 다양한 형태로 생을 마감한다. 질량이 큰 별일수록 수명이 짧은데, 어떤 별은 수명이 불과 몇억 년인 경우도 있다. 반면 적색 왜성처럼 작은 별은 밝지는 않지만 무수한 세월 동안 살아 있다.
질량이 태양에 가까운 주계열성들은 수십억 년 동안 빛나다가 적색 왜성으로 변하며, 질량이 아주 큰 것들은 적색 초거성이 되기도 한다. 중심부에 아직 남아 있는 수소는 한층 활발히 타올라 에너지를 생성하고, 이 에너지는 별을 팽창시켜 거성이 된다. 그 표면은 현저히 팽창하며, 표면 온도는 낮아지고, 별의 색깔은 적색이 된다.
4) 별의 마지막 단계
별의 생애와 진화의 마지막 단계는 질량에 따라 달라진다. 별의 최종 운명은 질량에 따라 달라지며, 그 마지막 단계에 도달하게 된다.
- 백색 왜성: 질량이 태양의 3배 이하인 별들이 도달하는 마지막 단계이다. 밀도가 매우 높고, 더 이상 타지는 않지만 온도가 매우 높아 식는 데 수십억 년이 걸린다.
- 중성자별: 태어날 때 태양의 3~15배에 달하는 질량을 가졌던 별은 중성자별이 된다. 이 별들은 전기적으로 중성이며, 지름이 불과 몇십 킬로미터에 불과한 크기를 갖는다.
- 블랙홀: 태양의 15배 이상 되는 질량을 가진 별은 블랙홀이 될 수 있다. 중력에 의해 모든 물질과 빛이 빨려 들어가며, 그 존재를 관측할 수 있게 한다.