별의 進化
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【背景】10tonggwa1-0202 | 太陽 에너지와 에너지 轉換 / 【深化】變光星과 超新星 | 星團과 우리 銀河의 構造
■ 12地球03-03: 多樣한 質量을 가진 별의 進化 過程을 H-R圖에 나타내고 解釋할 수 있다.
H-R圖
별의 表面 溫度와 光度
밤하늘의 별은 밝기와 色이 저마다 다릅니다. 별의 色은 表面 溫度를 알려 줍니다. 뜨거운 별일수록 짧은 波長의 빛을 많이 내어 파랗게, 차가운 별일수록 붉게 보입니다. 天文學者들은 별빛의 스펙트럼에 나타나는 吸收線의 特徵으로 별을 分類하는데, 이를 分光型이라 하며 表面 溫度가 높은 것부터 O, B, A, F, G, K, M으로 나눕니다. O型 별의 表面은 3萬 K를 넘고, M型 별은 3,000 K 안팎이며, 太陽은 約 5,800 K의 G型 별입니다.
별의 밝기는 지구에서 보이는 밝기와 별이 實際로 내는 에너지를 區別해야 합니다. 가까운 어두운 별이 먼 밝은 별보다 밝게 보일 수 있기 때문입니다. 별이 單位 時間에 내놓는 에너지의 總量을 光度라 하고, 별을 모두 같은 距離(10 파섹)에 두었다고 假定한 밝기를 絶對 等級이라 합니다. 光度는 表面 溫度와 크기로 정해집니다. 表面의 單位 面積이 내는 에너지는 溫度의 네제곱에 比例하므로(슈테판-볼츠만 法則), 반지름이 $R$, 表面 溫度가 $T$인 별의 光度는 다음과 같습니다.
$\sigma$는 슈테판-볼츠만 常數입니다. 이 式은 表面 溫度가 같아도 반지름이 크면 훨씬 밝고, 光度가 같아도 溫度가 낮으면 반지름이 커야 한다는 것을 알려 줍니다.
H-R圖의 構造
20世紀 初 덴마크의 헤르츠스프룽과 美國의 러셀은 각각 별의 表面 溫度(또는 分光型)와 光度(또는 絶對 等級)의 關係를 그래프로 나타냈습니다. 두 사람의 이름을 딴 이 그래프를 H-R圖라 합니다. 가로軸에는 表面 溫度를 왼쪽이 높고 오른쪽이 낮게, 세로軸에는 光度를 위쪽이 밝게 놓습니다. 溫度가 왼쪽으로 갈수록 높아지게 그리는 것은 分光型의 順序를 따른 歷史的 慣例입니다.
수많은 별을 H-R圖에 찍으면 별들이 아무렇게나 흩어지지 않고 몇 무리로 모입니다.
| 무리 | H-R圖의 位置 | 特徵 |
|---|---|---|
| 主系列星 | 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 이어지는 띠 | 中心에서 水素 核融合. 별의 約 90%가 여기에 屬함 |
| 赤色 巨星 | 主系列의 오른쪽 위 | 表面 溫度는 낮지만 반지름이 커서 밝음 |
| 超巨星 | 맨 위쪽 | 반지름이 太陽의 수백~1,000倍 以上. 光度가 가장 큼 |
| 白色 矮星 | 왼쪽 아래 | 表面 溫度는 높지만 크기가 地球 程度로 작아 어두움 |
H-R圖는 별의 分類表인 同時에 별의 一生을 보여 주는 地圖이기도 합니다. 별은 태어나 죽을 때까지 表面 溫度와 光度가 바뀌므로 H-R圖 위에서 자리를 옮겨 다닙니다. 하늘에 보이는 별들은 서로 다른 나이와 質量을 가진 별들을 한 時點에 찍은 寫眞과 같아서, 많은 별이 모인 자리는 별이 오래 머무르는 段階, 별이 드문 자리는 빨리 지나가는 段階를 뜻합니다. 主系列에 별이 가장 많은 것은 별이 一生의 대부분을 主系列星으로 보내기 때문입니다.
별의 誕生
星雲에서 原始星으로
별은 宇宙 空間의 氣體와 먼지가 모인 星雲에서 태어납니다. 特히 溫度가 10~20 K 程度로 차갑고 密度가 높은 分子 구름이 별의 産室입니다. 分子 구름의 一部가 가까운 超新星 爆發의 衝擊波 等으로 壓縮되어 密度가 어느 限界를 넘으면, 氣體 內部의 壓力이 自體 重力을 견디지 못하고 收縮하기 始作합니다.
收縮하는 氣體 덩어리는 重力 位置 에너지가 熱로 바뀌면서 中心이 漸漸 뜨거워지는데, 이 段階를 原始星이라 합니다. 原始星은 아직 核融合을 하지 않으며, 收縮에서 나오는 에너지로 빛납니다. 周圍를 두꺼운 먼지가 감싸고 있어 可視光線으로는 잘 보이지 않고 赤外線으로 觀測됩니다. 回轉하며 收縮하는 原始星 周圍에는 氣體와 먼지가 圓盤을 이루는데, 이 圓盤에서 行星이 만들어집니다.
主系列의 始作
收縮이 이어져 中心 溫度가 約 1,000萬 K에 이르면 水素 原子核이 融合해 헬륨이 되는 核融合 反應이 始作됩니다. 核融合에서 나오는 에너지가 中心을 뜨겁게 유지해 氣體의 壓力이 커지면, 바깥으로 미는 壓力과 안으로 당기는 重力이 均衡을 이루어 收縮이 멈춥니다. 이 均衡을 靜水壓 平衡이라 합니다. 이 時點부터 별은 主系列星이 됩니다.
이 過程을 H-R圖 위에 그려 보면, 原始星은 主系列의 오른쪽에서 出發합니다. 收縮을 막 始作한 原始星은 表面 溫度는 낮지만 반지름이 매우 커서 光度가 크므로 H-R圖의 오른쪽 위에 놓입니다. 太陽 程度의 原始星은 收縮하면서 表面 溫度는 거의 그대로인 채 光度만 줄어 거의 垂直으로 내려오다가, 內部가 뜨거워지면 表面 溫度가 올라가 왼쪽으로 옮겨 가며 主系列에 다다릅니다. 앞의 垂直에 가까운 經路는 이를 硏究한 日本의 天文學者 이름을 따 하야시 經路라 부릅니다. 質量이 큰 原始星은 이 垂直 經路를 거의 거치지 않고 光度를 維持한 채 곧바로 왼쪽으로 移動합니다.
質量이 클수록 重力이 强해 收縮이 빠르므로 主系列에 이르는 時間도 짧습니다. 太陽 程度의 별은 原始星 段階가 수천萬 秊 걸리지만, 太陽 質量의 15倍인 별은 10萬 秊도 걸리지 않습니다. 그래서 質量이 큰 별은 H-R圖의 왼쪽 위에서, 質量이 작은 별은 오른쪽 아래에서 主系列에 自身의 자리를 잡습니다. 主系列의 어느 位置에 자리 잡는지가 質量으로 定해지는 것입니다.
質量이 太陽의 約 0.08倍보다 작은 天體는 中心 溫度가 水素 核融合을 일으킬 만큼 올라가지 못합니다. 이런 天體는 별과 行星의 中間쯤 되는 褐色 矮星이 되어 收縮의 餘熱로 희미하게 빛나다 식어 갑니다. 0.08倍는 별이 되기 위한 最小 質量인 셈입니다.
主系列星
質量이 運命을 정한다
主系列星의 位置는 質量으로 정해집니다. 質量이 큰 별은 自體 重力이 커서 中心이 더 强하게 壓縮되고 뜨거워지므로, 核融合이 훨씬 活潑하게 일어나 表面 溫度가 높고 밝습니다. 主系列의 왼쪽 위에는 質量이 큰 푸른 별이, 오른쪽 아래에는 質量이 작은 붉은 별이 놓입니다. 主系列은 곧 質量의 順序입니다.
主系列星의 光度는 大略 質量의 3~4제곱에 比例해 커집니다. 質量이 10倍인 별은 光度가 수천 倍에 이릅니다. 별이 主系列에 머무는 時間, 곧 水素를 태우는 壽命은 燃料의 量(質量)을 燃料를 쓰는 速度(光度)로 나눈 것에 比例하므로, 質量이 클수록 壽命이 오히려 짧습니다.
| 質量(太陽 = 1) | 分光型 | 主系列 壽命(大略) |
|---|---|---|
| 0.1 | M | 수조 秊 |
| 0.5 | K~M | 수백億 秊 以上 |
| 1(太陽) | G | 約 100億 秊 |
| 3 | B~A | 수億 秊 |
| 10 | B | 約 2,000萬~3,000萬 秊 |
| 30 以上 | O | 수백萬 秊 |
太陽은 約 46億 秊 前에 태어났으므로 主系列 壽命의 절반쯤을 보낸 셈입니다. 反面 質量이 太陽의 0.1倍 程度인 赤色 矮星은 壽命이 宇宙의 나이(約 138億 秊)보다 훨씬 길어서, 宇宙에서 이런 별이 主系列을 떠난 例는 아직 없습니다.
中心의 核融合
主系列星의 中心에서 水素가 헬륨으로 바뀌는 經路는 두 가지입니다. 太陽 程度의 質量을 가진 별에서는 水素 原子核이 차례로 結合하는 陽性子-陽性子 連鎖 反應이 主로 일어나며, 이 過程은 「太陽 에너지와 에너지 轉換」에서 다루었습니다. 太陽보다 質量이 조금 더 큰 별(約 1.3倍 以上)에서는 中心 溫度가 더 높아, 炭素·窒素·酸素 原子核을 觸媒처럼 쓰며 水素를 헬륨으로 바꾸는 CNO 循環이 主된 經路가 됩니다. CNO 循環은 溫度에 매우 敏感해서, 質量이 큰 별이 엄청난 光度로 빛나며 빠르게 燃料를 消耗하는 理由가 됩니다.
主系列 以後의 進化
中心의 水素가 바닥나면 별은 主系列을 떠납니다. 이후의 經路는 質量에 따라 크게 갈립니다.
太陽 程度의 별
中心의 水素가 모두 헬륨으로 바뀌면 中心에서 核融合이 멈추고, 에너지를 잃은 헬륨 中心核은 重力으로 收縮하며 뜨거워집니다. 그 熱로 中心核을 둘러싼 껍질에서 水素 核融合이 始作되고, 별의 바깥층은 크게 부풀어 오릅니다. 반지름이 커진 만큼 表面 溫度는 낮아져 붉게 빛나지만 全體 光度는 커집니다. 이것이 赤色 巨星이며, H-R圖에서는 主系列에서 오른쪽 위로 옮겨 갑니다.
헬륨 中心核의 溫度가 約 1億 K에 이르면 헬륨 原子核 세 個가 結合해 炭素가 되는 核融合이 始作되고, 炭素의 一部는 헬륨과 더 結合해 酸素가 됩니다. 太陽 程度의 별에서는 헬륨 核融合이 갑작스럽게 爆發的으로 點火되는데, 이를 헬륨 閃光이라 합니다. 中心의 헬륨마저 바닥나면 炭素와 酸素로 된 中心核을 헬륨과 水素의 두 껍질이 둘러싸고 核融合을 하는 段階에 들어서며, 별은 다시 크게 부풀어 오릅니다.
이 段階의 별은 不安定해져 바깥층을 宇宙 空間으로 서서히 날려 보냅니다. 흩어진 氣體는 남은 뜨거운 中心核이 내는 紫外線을 받아 빛나는데, 이것이 行星狀 星雲입니다. 옛 天文學者들이 작은 望遠鏡으로 보았을 때 行星처럼 둥근 圓盤으로 보여 붙은 이름일 뿐, 行星과는 關係가 없습니다. 行星狀 星雲은 수萬 秊 만에 흩어져 사라지고, 中心에는 炭素와 酸素로 된 뜨거운 中心核이 남습니다. 이것이 白色 矮星입니다.
白色 矮星은 太陽 程度의 質量이 地球만 한 크기로 壓縮된 天體로, 찻숟가락 하나 分量이 수 톤에 이를 만큼 密度가 높습니다. 더 以上 核融合을 하지 않으며 남은 熱로 빛나다가 아주 오랜 時間에 걸쳐 식어 갑니다. 白色 矮星이 重力에 눌려 더 收縮하지 않는 것은, 電子들이 같은 狀態에 겹쳐 들어갈 수 없다는 量子 力學의 原理(파울리 排他 原理)에서 나오는 壓力, 곧 電子 縮退壓이 버티기 때문입니다. 1930秊代 인도 出身의 物理學者 찬드라세카르는 이 壓力이 버틸 수 있는 白色 矮星의 質量에 上限이 있음을 밝혔는데, 그 값은 太陽 質量의 約 1.4倍입니다. 이를 찬드라세카르 限界라 합니다.
H-R圖에서 太陽 程度의 별은 主系列에서 오른쪽 위의 赤色 巨星으로 갔다가, 바깥층을 잃고 왼쪽으로 가로지른 뒤 왼쪽 아래의 白色 矮星으로 내려옵니다.
質量이 큰 별
質量이 太陽의 約 8倍를 넘는 별은 더 劇的인 一生을 보냅니다. 主系列을 떠난 뒤 超巨星이 되고, 中心이 매우 뜨거워 헬륨 다음 段階의 核融合까지 차례로 일어납니다. 炭素가 네온과 마그네슘으로, 네온이 酸素로, 酸素가 硅素와 黃으로, 硅素가 鐵로 바뀝니다. 中心으로 갈수록 무거운 元素가 層을 이루어, 별의 內部는 양파처럼 여러 겹의 껍질 構造가 됩니다. 뒤 段階로 갈수록 核融合의 溫度는 높아지고 期間은 짧아져, 硅素가 鐵로 바뀌는 段階는 며칠 만에 끝납니다.
이 時期 質量이 큰 별이 H-R圖에서 움직이는 經路는 太陽 程度의 별과 다릅니다. 質量이 큰 별은 主系列에서 이미 光度가 매우 커서, 主系列을 떠난 뒤에도 光度는 크게 變하지 않고 表面 溫度만 크게 달라집니다. 그래서 H-R圖의 맨 위쪽을 거의 水平으로 가로질러, 푸르게 빛나는 靑色 超巨星과 붉게 빛나는 赤色 超巨星 사이를 오갑니다. 오리온자리의 베텔게우스는 質量이 太陽의 15~20倍 程度로 推定되는 赤色 超巨星이고, 같은 별자리의 리겔은 靑色 超巨星입니다.
中心核은 收縮하는데 바깥층은 부풀어 오르는 理由는 中心核을 둘러싼 껍질의 核融合에 있습니다. 中心核이 收縮하며 뜨거워지면 그 바로 바깥 껍질도 뜨거워져 核融合이 活潑해지고, 여기서 쏟아져 나오는 에너지가 바깥층에 쌓여 바깥층을 밀어 올립니다. 바깥층은 膨脹하면서 식어 表面 溫度가 낮아집니다. 太陽 程度의 별이 赤色 巨星이 될 때 일어나는 일도 같은 原理입니다.
核融合은 鐵에서 멈춥니다. 鐵 原子核은 原子核을 이루는 粒子 하나당 結合 에너지가 가장 큰, 다시 말해 가장 安定한 原子核에 屬하므로, 鐵을 融合하거나 分裂해서는 에너지를 얻을 수 없습니다. 「元素의 週期性」에서 原子들이 安定한 狀態를 向해 結合한다고 했는데, 原子核의 世界에서는 鐵 附近이 그 安定의 終點입니다. 에너지를 더 만들지 못하는 鐵 中心核이 太陽 質量의 1.4倍 程度를 넘으면 自體 重力을 견디지 못하고 1秒도 안 되는 사이에 崩壞합니다.
崩壞하는 中心核에서는 電子와 陽性子가 합쳐져 中性子가 되고, 中性子들이 더 以上 壓縮되지 않을 만큼 빽빽해지면 崩壞가 멈추고 튕겨 나오는 衝擊波가 생깁니다. 이 衝擊波와 엄청난 量의 中性微子가 바깥층을 날려 버리는 大爆發이 超新星입니다. 超新星은 한동안 銀河 全體에 맞먹는 밝기로 빛납니다.
中性子별과 블랙홀
超新星 爆發 뒤에 남는 中心核의 質量이 太陽의 約 1.4~2倍 程度이면, 지름 20 km 안팎의 공 안에 太陽보다 무거운 質量이 들어찬 中性子별이 됩니다. 中性子별은 빠르게 回轉하며 强한 磁場을 가지는데, 磁極 方向으로 내뿜는 電波가 回轉에 따라 等臺의 불빛처럼 地球를 쓸고 지나가면 規則的인 펄스로 觀測됩니다. 1967秊 英國의 大學院生이던 벨이 처음 發見한 이 天體를 펄서라 합니다.
남은 中心核이 太陽의 約 3倍보다 무거우면 中性子의 壓力으로도 重力을 막지 못해 끝없이 收縮하고, 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 됩니다.
| 처음 質量(太陽 = 1) | 主系列 以後 | 마지막 모습 |
|---|---|---|
| 約 0.08 未滿 | 별이 되지 못함 | 褐色 矮星 |
| 約 0.08~0.5 | 아주 오래 主系列에 머묾. 約 0.25 未滿은 赤色 巨星 段階를 거치지 않고, 그 以上도 헬륨 核融合에는 이르지 못함 | 헬륨 白色 矮星(單獨 별에서 만들어진 것은 宇宙의 나이가 짧아 아직 없음. 雙星에서 바깥층을 잃어 만들어진 것은 觀測됨) |
| 約 0.5~8 | 赤色 巨星 → 行星狀 星雲 | 炭素·酸素 白色 矮星 |
| 約 8 以上 | 超巨星 → 超新星 爆發 | 中性子별 또는 블랙홀 |
별과 元素
별의 一生은 元素가 만들어지는 過程이기도 합니다. 宇宙가 처음 생겼을 때 만들어진 元素는 大部分 水素와 헬륨이었습니다. 炭素·窒素·酸素를 비롯해 鐵까지의 元素는 별의 中心에서 核融合으로 만들어졌고, 行星狀 星雲과 超新星 爆發을 통해 宇宙 空間으로 흩어졌습니다.
鐵보다 무거운 元素는 核融合으로 만들어지지 않습니다. 이런 元素는 原子核이 中性子를 붙잡은 뒤 中性子가 陽性子로 바뀌는 過程을 거쳐 만들어집니다. 赤色 巨星 末期의 별 內部에서 中性子를 천천히 붙잡는 過程, 그리고 超新星이나 中性子별 두 個가 衝突할 때처럼 中性子가 매우 많은 環境에서 빠르게 붙잡는 過程이 있습니다. 2017秊 두 中性子별의 衝突에서 나온 重力波가 처음 檢出되었고, 뒤이은 觀測에서 金이나 白金 같은 무거운 元素가 大量으로 만들어진 證據가 確認되었습니다.
이렇게 흩어진 元素는 새로운 星雲에 섞여 다음 世代의 별과 行星의 材料가 됩니다. 太陽과 地球에 鐵과 酸素와 炭素가 있는 것은 太陽이 태어나기 前에 이미 여러 世代의 별이 살다 죽었기 때문입니다. 우리 몸을 이루는 炭素와 酸素, 피 속의 鐵도 모두 옛 별 속에서 만들어진 것입니다.
觀測으로 確認하는 進化
星團의 H-R圖
별의 一生은 수백萬 秊에서 수조 秊에 이르므로 한 별의 進化를 처음부터 끝까지 지켜볼 수는 없습니다. 天文學者들은 그 대신 星團을 이용합니다. 星團은 같은 星雲에서 거의 同時에 태어난 별들의 무리이므로, 星團의 별들은 나이와 化學 組成이 같고 質量만 다릅니다.
星團의 별들을 H-R圖에 찍으면, 質量이 큰 별부터 차례로 主系列을 떠나므로 主系列의 위쪽 끝이 잘려 나가고 그 자리에서 赤色 巨星 쪽으로 꺾여 올라가는 模樣이 나타납니다. 主系列이 꺾이는 이 點을 轉向點이라 합니다. 轉向點에 있는 별의 主系列 壽命이 곧 星團의 나이이므로, 轉向點이 아래쪽에 있을수록 오래된 星團입니다. 수백 個의 젊은 별이 모인 散開 星團은 轉向點이 높아 푸른 主系列星이 남아 있지만, 수十萬 個의 별이 공 모양으로 모인 球狀 星團은 轉向點이 太陽 程度의 質量까지 내려와 있어 나이가 100億 秊이 넘는 것으로 推定됩니다. 球狀 星團의 나이는 宇宙의 나이를 가늠하는 端緖가 되기도 했습니다.
記錄에 남은 超新星
超新星은 歷史 記錄에도 남아 있습니다. 1054秊 中國 宋나라의 天文 記錄에 낮에도 보일 만큼 밝은 새 별이 나타났다고 적혀 있는데, 그 자리에는 오늘날 게 星雲이라는 超新星 殘骸가 있고 그 中心에서 펄서가 發見되었습니다. 1604秊에 나타난 超新星은 유럽에서 케플러가 觀測했고, 朝鮮에서도 「朝鮮王朝實錄」에 客星으로 여러 次例 記錄되었습니다. 1987秊에는 우리 銀河 바로 옆의 大마젤란 銀河에서 超新星이 나타났는데, 日本과 美國의 地下 檢出器가 이 超新星에서 날아온 中性微子를 檢出해 中心核 崩壞의 理論을 直接 確認했습니다.
太陽의 未來
太陽은 主系列에서 앞으로 50億 秊 程度를 더 보낸 뒤 赤色 巨星이 됩니다. 그 사이에도 太陽은 조금씩 밝아져, 只今부터 約 10億 秊 뒤에는 地球의 表面이 뜨거워져 바다가 蒸發하기 始作할 것으로 豫想됩니다. 赤色 巨星이 된 太陽의 반지름은 只今의 100倍를 넘어 水星과 金星을 삼키고 地球 軌道 附近까지 부풀어 오를 것입니다. 그 뒤 太陽은 바깥층을 날려 보내 行星狀 星雲을 만들고, 地球만 한 크기의 白色 矮星으로 남아 천천히 식어 갈 것입니다. 太陽은 質量이 작아 超新星이 되지 않습니다.
整理
| 段階 | 內容 | H-R圖 |
|---|---|---|
| 誕生 | 分子 구름의 重力 收縮 → 原始星 → 中心 1,000萬 K에서 水素 核融合 始作 | 오른쪽 위에서 主系列로 내려옴 |
| 主系列 | 靜水壓 平衡. 質量이 클수록 밝고 뜨겁고 壽命이 짧음. p-p 連鎖 反應, CNO 循環 | 主系列 띠의 한 點에 머묾 |
| 太陽 程度의 별 | 赤色 巨星 → 헬륨 核融合(炭素·酸素) → 行星狀 星雲 → 白色 矮星(찬드라세카르 限界 約 1.4) | 오른쪽 위 → 왼쪽 아래 |
| 큰 質量의 별 | 超巨星, 양파 構造의 核融合(鐵까지) → 中心核 崩壞 → 超新星 → 中性子별·블랙홀 | 맨 위쪽을 가로지름 |
| 元素 | 鐵까지는 별 속 核融合, 鐵보다 무거운 元素는 中性子 捕獲(超新星·中性子별 衝突) | — |
| 觀測 | 星團의 轉向點으로 나이 推定, 歷史 記錄 속 超新星(1054·1604·1987) | — |
별의 一生은 自體 重力과 그에 맞서는 壓力의 싸움입니다. 主系列에서는 核融合의 熱이, 白色 矮星에서는 電子의 縮退壓이, 中性子별에서는 中性子의 壓力이 重力을 버팁니다. 어느 壓力도 버티지 못할 만큼 무거우면 블랙홀이 됩니다. 그리고 그 싸움을 決定하는 가장 重要한 값은 별이 처음 태어날 때의 質量입니다. 같은 星雲에서 태어난 별이라도 質量에 따라 수백萬 秊 만에 爆發하기도 하고, 宇宙의 나이보다 오래 빛나기도 합니다.
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