별의 일생과 별 내부의 핵융합 원리

별의 일생과 별 내부의 핵융합 원리

별의 일생과 별 내부의 핵융합 원리

별의 일생과 핵융합 과정에 대해 한번 생각해도록 하겠습니다. 별들은 먼저, 고온 고압 상태의 중심부에서 수소 핵융합반응이 일어나고 헬륨을 만들면서, 이로부터 생기는 에너지를 밖으로 내보냅니다. 별의 중심부에서 수소 핵융합반응이 지속적으로 일어나고 있을 때에는, 밖으로 나오는 이 에너지와, 별 자체의 질량에 의한 중력수축 에너지가 평형을 유지합니다. 별이 자신의 모습을 그대로 유지하고 있다라는 것이 되겠습니다. 마치 지금 태양이 그러합니다. 시간이 지나, 별 중심부에서 수소가 고갈되면 별의 외곽부에서 수소 핵융합이 시작됩니다. 그러면서 별은 팽창을 하게되면서 별의 균형이 깨지기 시작하고 별이 부풀어 오릅니다. 그리고 시간이 더 지나면 결국, 별 전체에서 수소 핵융합을 일으키게 할 수 있는 수소 연료가 다 떨어지고 말게 되겠죠. 수소 연료가 떨어지고 더 이상 수소 핵융합에 의한 에너지 생산이 끝나게 되면, 별은 에너지가 나오지 않으므로 식어갑니다. 그러면, 별 내부에서 바깥으로 향한 압력이 줄어들게되고 중심으로 향하는 중력이 더 커지게 되어 별은 수축하게 됩니다. 별이 수축하게 되면 압축에 의해서 온도와 압력이 다시 높아져서, 새로운 원자핵융합 반응이 일어나고 이때 더 많은 열이 발생하기 때문에, 또다시 바깥쪽으로 에너지를 내어 수축이 정지됩니다. 이러한 현상으로 별은 일시적으로 평형 상태를 이루지만, 바로 곧바로 새로운 핵융합을 일으키던 원료들이 다 소진하고, 내부는 다시 냉각되고 또 다른 수축이 일어나게 되겠지요. 또 다른 수축이 일어나면 다시 별의 중심부는 가열되고 그곳에서 또 다른 핵융합 반응이 일어나며, 이러한 핵융합을 일으키는 연료가 없어질 때까지 수축이 정지됩니다. 이렇게 별의 일생의 마지막 단계에서 일어나게 되는 수축과 평형의 반복에 따라서, 별 내부의 온도와 압력이 반복적으로 변화하고, 각 과정에서 일어나는 새로운 핵융합반응에 의해서, 탄소, 네온, 산소, 마그네슘, 실리콘, 철 이런 원소들이 별 내부에서 새롭게 합성이 되는 것입니다. 그런데 별 내부의 핵융합은 철이라는 원소를 만드는 것으로 끝이 납니다. 핵 물리학 연구결과에 의하면, 철 보다 무거운 원소들은 핵 융합반응으로 형성되지 않습니다. 별 내부에서 철이 만들어지면 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않는다는 것입니다. 이 상태가 되면 별의 내부에서는 더이상 에너지가 나오지 않습니다. 그렇다면, 별 자체 질량에 의해서, 순간적으로 엄청난 수축을 하게 되고, 이 수축에 반발하는 엄청난 압력에 의해서 결국 별의 외곽부가 폭발하는 과정을 통해 별의 일생을 마치게 됩니다. 자 이렇게 별들은 자신의 일생을 마치면서, 내부에서 핵융합과정을 통해 새롭게 만든 수많은 중원소 물질들을 우주 공간에 방출하는것입니다. 그리고, 폭발하는 순간 “중성자 포획과정”이라는 매우 특별한 현상을 새롭게 겪으면서 철보다 무거운 원소 또 다른 중원소들을 합성하면서, 우주 공간으로 흩어지게 됩니다. 그리고 폭발하는 별의 중심부에는 별의 폭발 정도에 따라 백색왜성, 중성자별, 그리고 블랙홀 등이 별 죽음의 잔재로 남게 됩니다. 이와 같이 별의 일생은 핵융합 반응의 과정에 따라서 진행 되고, 각각의 과정에서 별은 자신의 모습을 끊임없이 변화됩니다. 천문학자들은 이러한 별의 일생에 따르는 단계에 대해서 따로 이름을 붙여놓았습니다. 마치 사람의 경우, 아이, 어린이, 청소년, 청년, 장년, 노년 등으로 부르는 것과 유사합니다. 만들어지는 과정에 있는 별을 원시성이라고 부릅니다. 그리고 중심부에서 수소 핵융합반응을 일으키면서 평형을 유지하고 있는 별을 주계열성이라고 부릅니다. 그 이후 과정은 별의 질량에 따라 약간 다른 이름이 붙여지게됩니다. 중심부 수소 핵융합이 끝나고 외곽부 핵융합이 일어나는 상태를 적색 거성 또는 적색 초거성이라고 부릅니다. 이때, 별의 외곽부는 팽창해서 부풀어 오르면서 별의 표면온도는 낮아지지만 밝기는 더욱 밝은 상태가 됩니다. 질량이 작은 적색 거성은 중심부에서 헬륨 핵융합 현상을 거쳐 결국은 핵융합이 끝나고 급격한 수축과 그에 따르는 외곽부 방출 현상이 일어납니다. 이러한 상태를 행성상 성운이라고 부릅니다.

초신성

행성상 성운의 중심부에는 잔재로서 백색왜성의 남게 됩니다. 질량이 큰 적색 초거성은 마지막 일생의 단계에 다다르기 직전에, 별 내부 여러 층에서 다양한 핵융합들이 일어나면서 새로운 중원소들을 많이 만듭니다 그리고 핵융합에 의한 철의 생산을 끝으로 거대한 폭발현상이 일어납니다. 이러한 상태를 초신성이라고 부릅니다. 그리고 그 중심부에는 폭발의 정도에 따라서 중성자별 또는 블랙홀이 남습니다. 만들어지고 있는 별, 원시성은 가스와 먼지가 모여있는 성운 영역에서 많이 관측되는것들입니다. 물질들이 뭉쳐 별이 만들어지는 과정에서 강한 제트 에너지를 방출하는 현상도 직접 관측할 수 있습니다. 별의 중심부에서 수소 핵융합 반응이 일어나고 있는 안정적인 주계열 별. 우리가 매일 보는 태양, 밤하늘에 보이는 대부분의 별들이 이러한 주계열 별들입니다. 별들은 일생의 대부분을 이러한 주계열 별의 상태로 보냅니다. 주계열 별의 수명은 별의 질량과 관계가 있습니다. 태양정도의 질량을 가지면 약 100억년의 수명을 가지게되고, 태양보다 30배의 질량을 가지면 수명은 수백만년에 불과합니다. 별의 중심부에서 수소 핵융합이 끝나고 별의 외곽부에서 수소 핵융합이 일어나는 동안 별은 크기가 수백배에서 수천배 이상 커집니다. 거성이 되는 것입니다. 표면적이 크기 때문에 밝기는 더욱 밝아 지지만, 오히려 표면 온도는 더 낮아져 상대적으로 색깔이 붉은 색으로 보이게 됩니다. 겨울철 밤하늘의 대표적인 별자리, 오리온 자리를 보면 중간의 삼태성 위쪽에 매우 밝은 베텔기우스라는 별이 하나 보이는데, 그 색깔이 아주 붉게 보입니다. 바로 적색 거성입니다. 별의 최후의 모습은 팽창 또는 폭발 현상과 더불어 밝기가 순간적으로 매우 밝아지는 신성 또는 초신성의 모습으로 나타납니다. 신성은 질량이 작은 별의 최후의 모습으로 시간이 지나면 행성상 성운의 모습으로 관측이 되는것입니다. 초신성의 폭발 순간과 그 이후 우주 공간으로 뻗어나가는 별의 최후의 모습은 정말 극적인 모습을보여줍니다.

블랙홀

팽창과 폭발로 일생을 마친 별들의 잔재 백색왜성, 중성자별, 블랙홀. 백색왜성은 질량은 태양 질량의 1. 4배를 넘지는 않습니다. 그런데 그 크기가 지구 정도 밖에 되지 않아서, 밀도가 매우 높습니다. 중성자별은 반지름이 약 10km 정도이고 밀도는 세제곱센티미터당 1000만톤에 해당되는 엄청난 고밀도 천체입니다. 이 중성자별은 고속으로 회전하면서 주기적인 빛을 방출하는데, 이것을 펄사라고 부릅니다. 태양보다 30배 이상의 별이 초신성 폭발을 일으키는 경우, 별의 중심부는 극단적인 밀도를 갖는 천체가 만들어지는데, 이것이 바로 블랙홀입니다. 블랙홀은 중력이 무한히 커지는 공간으로서, 주위의 모든 물질, 그리고 빛 마저도 흡수를 하게 됩니다. 지구를 블랙홀로 만들려면 반지름을 0. 9cm 이하로 압축하면 됩니다. 태양을 블랙홀로 만들려면, 반지름을 2. 5km 이하로 압축하면 됩니다. 그 정도로 블랙홀은 무한 밀도를 갖습니다.