별의 생애: 별의 탄생과 죽음

우주는 언제, 어떻게 시작되었는지 지난 포스팅에서 빅뱅 우주론을 통해 살펴보았었습니다. 그 정확한 기원을 알 수는 없지만 가장 유력한 이론인 빅뱅 우주론에 따르면 우주는 한 점에서 팽창하며 형성된 것이었습니다. 그렇다면 이 우주의 별들은 언제, 어떻게 생겨난 것일까요? 이번에는 별의 탄생과 죽음에 이르기까지 진화 과정에 대해 간략히 살펴보겠습니다.

 

1. 별의 탄생과 원시우주의 형성

고대 은하계 (출처: NASA)

 

빅뱅 우주론에 따르면 우주는 약 138억년 전, 무한히 작고 뜨거운 한 점의 상태에서 폭발적으로 팽창함으로써 시작되었습니다. 빅뱅 이후 약 380,000년이 지난 후, 우주가 식으면서 원자들이 형성되었습니다. 가장 흔하게 생성된 물질은 수소와 헬륨으로, 초기 우주에서는 수소가 약 75% 정도, 헬륨이 약 25% 정도의 비율로 존재했으며 이들의 핵융합 과정을 통해 더 무거운 원소들도 조금씩 생겨났습니다. 이때 생성된 물질들은 기체나 먼지의 형태로 떠돌아다니게 되는데 이러한 분자 형태의 물질들을 성간 물질이라고 부릅니다.

 

성간물질이 서로 결합하며 밀도 변동에 의해 중력이 작용생기기 시작하며, 이렇게 중력에 의해 압축된 성간 물질은 분자 구름을 형성하게 되는데, 분자구름은 성간 우주 공간에 넓게 분포하며 별과 행성의 탄생에 중요한 역할을 합니다.

 

분자구름 역시 중력의 영향으로 압축됩니다. 중력은 구름을 내부로 압축시키고, 압축에 따라 구름의 온도와 밀도가 증가하며 이로 인해 구름의 중심 부근에서는 더 높은 압력과 온도가 형성됩니다. 중심의 압력과 온도가 충분히 높아지면 핵융합 반응을 일으키기 시작하는데 이 과정에서 엄청난 양의 에너지가 방출되며 빛을 발산하게 됩니다.

 

이후 내부에서는 핵융합 반응과 중력의 압축이 서로 상호작용하여 평형 상태를 유지하기에 이릅니다. 이러한 평형 상태에서 별은 안정적으로 존재할 수 있습니다.

 

또 별들이 모여 일종의 별의 집단인 은하를 형성합니다. 은하들 역시 서로 중력으로 상호작용하며, 은하군과 은하단 등 거대한 구조를 이룹니다.

 

이러한 과정을 통해 원시 우주는 형성되었고, 우주는 계속해서 진화하고 변화하며 현재의 다양한 천체와 구조를 형성하게 되었습니다.

 

 

2. 별의 진화 과정

별의 탄생 이후 진화 과정은 별의 질량에 따라 다르게 나타납니다. 일반적으로 별의 질량을 판단할 때, 태양의 질량을 기준으로 합니다.   (※ 태양 1개의 질량 = 1 태양질량)

 

 2-1. 질량이 작은 별(약 0.5 ~ 2 태양 질량)의 진화

 1)주계열성

별의 핵에서 수소 핵융합이 시작됩니다. 수소가 헬륨으로 변화하면서 엄청난 에너지를 방출하는데, 이 단계에서는 수소 연소로 인해 내부 온도와 압력이 균형을 이루며, 별은 상대적으로 안정한 상태를 유지합니다. 주계열성은 이 단계에서 약 10 ~ 15억 년 동안 유지되며, 대부분의 별은 이 단계에서 대부분의 수명을 소비합니다.

 

 2) 적색 거성

주계열성 단계 이후, 수소 연소가 지속되면 별은 점차 확장합니다. 이 단계에서 별은 크기가 커지고 표면 온도는 낮아지면서 붉은색으로 변합니다. 외부 영역의 확장으로 인해 별의 밀도는 감소하게 됩니다.

 

3) 헴륨성광

수소 연소가 점차 완료되면, 별은 헬륨섬광을 경험합니다. 헬륨이 별의 중심으로 모이면서 압축되고 중심 온도와 압력이 상당히 증가합니다. 이 단계는 더 많은 에너지를 생성하며, 헬륨 플래시라고도 알려져 있습니다.

 

4) 수소껍질연소

헬륨 중심 붕괴 후, 별은 수소 연소를 외부 영역으로 확장시킵니다. 외부 영역에서 헬륨 연소가 시작되며, 이를 헬륨 화석 연소라고 합니다. 수소와 헬륨의 연소 반응은 여전히 별 내부에서 일어나지만, 주된 에너지 공급원은 헬륨 화석 연소로 전환됩니다.

 

5) 수평가지
별의 헬륨 화석 연소가 지속되다가 헬륨이 고갈되면, 별은 안정적인 상태를 유지하지 못하고 축소됩니다. 이 단계에서는 수소 연소가 외부로 확장되고, 별은 매우 밝아지면서 초신성으로 분류됩니다. 이는 매우 짧은 시간 동안에만 지속되는 과정이며, 별은 폭발적으로 붕괴합니다.

 

6) 백색 왜성
헬륨 외부 연소 단계 이후, 별은 백색 왜성 단계로 진입합니다. 별의 크기는 작아지고, 온도는 높아지며, 외부 대기는 희미한 흰색을 띠게 됩니다. 별의 밀도는 높아지고, 중심 온도와 압력은 상당히 높아집니다. 이 단계에서 별은 최종적으로 축소되면서 종말을 맞이하게 됩니다.

 

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2-2. 질량이 큰 별(2 태양 질량 이상)의 진화

1) 주계열성

주계열성 단계는 질량이 작은 별과 동일하게 거쳐갑니다. 별의 핵에서 수소 핵융합이 시작되며 수소가 헬륨으로 변화하고 엄청난 에너지를 방출합니다. 수소 연소로 인한 내부 온도와 압력이 균형을 이루며, 별은 상대적으로 안정한 상태를 유지합니다. 주계열성 단계는 수십억 년에서 수백억 년 동안 유지될 수 있습니다.

 

2) 초거성

적색 거성과 마찬가지로 주계열성 단계 이후 별이 헬륨 핵으로의 진화를 시작하면서 크기가 점차 확장되고, 표면 온도는 낮아지면서 나타나는 단계입니다. 마찬가지로 부피가 커지며 밀도는 낮아지게 됩니다.

 

3) 헬륨 초거성

헬륨 핵으로 진화한 별은 헬륨 핵에서 헬륨 핵융합을 수행합니다. 헬륨 핵 연소로 인해 별은 더 높은 온도와 압력을 유지하게 되며, 이는 더 강력한 에너지 방출을 의미합니다.

 

4) 청색 초거성

헬륨 핵 연소 단계 이후, 질량이 큰 별은 연소 반응을 계속 진행합니다. 이로 인해 별은 매우 높은 온도와 압력을 유지하면서 주로 더 높은 원소들로 연소합니다. 이러한 연소 반응에 의해 별은 높은 에너지를 방출하며, 푸른색으로 빛나는 초거성이 됩니다.

 

5) 적색 초거성

연소 반응이 지속되면서 별은 점차적으로 중심 연료를 소진합니다. 이로 인해 별은 다양한 원소로 연소하며, 크기가 커지고 외부 영역은 더욱 팽창합니다. 부피만 증가하고 질량은 거의 그대로이기 때문에 항성 표면의 밀도는 굉장히 낮습니다. 또한 질량에 비해 지나치게 크게 부풀고 밀도가 극도로 낮기 때문에 둥근 형태를 유지하지 못하고 울퉁불퉁한 구 형태가 유지됩니다. 적색 초거성이 된 별은 중심핵에 철을 생성하며 초신성 폭발 단계로 넘어가게 됩니다.

 

6) 초신성

적색 초거성 단계에서 별이 안정적인 상태를 유지하지 못하고 축소되며, 매우 폭발적으로 붕괴하고 폭발하는 단계입니다. 초신성은 헬륨 연소가 끝나고 별의 핵에서 핵융합 반응이 계속 진행되지만, 이러한 핵융합 반응을 지탱하기에 충분한 에너지를 생성하지 못합니다. 그 결과, 핵의 중력이 압도적으로 강력해져 별은 매우 빠르게 붕괴됩니다. 이러한 과정은 별을 폭발적으로 붕괴시키면서 강력한 폭발력을 발생시키며 이때의 에너지로 인해 또다시 핵융합 반응이 일어나 구리, 납, 우라늄과 같은 철보다 더 무거운 원소들이 생성됩니다.

 

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7) 초신성 잔해

초신성 잔해는 별의 외부층이 폭발하며 분출되고 남은 중심부이며 중심핵의 질량에 따라 주로 두 가지 주요 형태로 나타납니다.

•   중성자별

중심핵의 질량이 태양 질량의 약 1.4배를 넘지 않는 별들이 주로 중성자별로 진화합니다.  별의 중심부는 중성자로 구성된 밀도가 매우 높은 핵을 형성하는데, 이 중성자 핵은 전자와 양성자가 서로 압축되어 중성자로 합쳐진 형태입니다. 중성자별은 매우 작은 크기를 가지면서도 매우 높은 질량을 갖습니다. 이러한 특성으로 인해 중성자별은 매우 강력한 중력을 가지며, 밀도가 높은 상태로 존재합니다. 또한, 중성자별은 회전 속도가 빠를 수 있으며, 자기장도 매우 강력합니다.

•   블랙홀

블랙홀은 질량이 중성자별을 넘어서는 경우 형성됩니다. 특히, 질량이 태양 질량의 약 3배 이상인 별들은 블랙홀로 진화하게 됩니다. 블랙홀은 극도로 강력한 중력을 가지고 있어서 어떤 물체나 빛도 그 안으로 탈출할 수 없는 영역인 사건 지평선을 가지고 있습니다.

 

 

모든 별은 각자 다양한 진화 과정을 겪지만 언젠가는 자신의 역할을 마치고 죽음을 맞이합니다. 하지만 별의 죽음은 끝이 아닌 새로운 성간물질들을 형성하며, 다시 새로운 별의 탄생을 위한 재료로 작용합니다.

 

우리 사람 역시 우주 만물의 작은 구성요소로써 같은 순리를 거쳐가는 것 같습니다. 태어나 삶의 무대에 오르고 죽음의 문으로 내려갑니다. 하지만 먼저 간 자들의 흔적은 여전히 우리 주위에 남아, 그들이 쌓아온 사랑과 기억이 우리를 지탱합니다. 죽음은 결코 종점이 아니라 새로운 출발의 시작이며, 우리는 그 출발점에서 그들의 기억과 함께 갈 것입니다.