별(Star)
별이라는 것은 핵융합 반응으로 스스로 빛을 내는 천체를 의미하는데요, 핵융합(nuclear fusion)은 간단하게 정리하자면 가벼운 원자핵이 고온 고압의 환경에서 결합을 하게 되면서 무거운 원자핵으로 되는 과정을 의미합니다. 이렇게 핵융합 반응으로 스스로 빛을 내는 별이 어떠한 과정을 거쳐서 탄생하게 되는지 정리해 보겠습니다.
별의 탄생 과정
아래의 이미지는 별의 탄생 과정을 나타내는 것으로, 뿌옇게 쌓인 가스들에서부터 성운이 되고, 별의 형태를 갖추어나가다가 별이 형성된 단계가 나타나 있습니다. 이를 크게 4단계로 구분해서 살펴보겠습니다.
1. 가스 구름의 형성
빅뱅으로부터 생성된 초기 입자들로부터 원소가 생성되었는데, 이것이 바로 수소와 헬륨입니다. 그리고, 수소와 헬륨은 우주 전역에 걸쳐서 분포하게 되지만 밀도가 균일하게 존재하는 것은 아니겠죠. 온도가 낮아지게 되면서 밀도가 큰 곳을 중심으로 중력에 의해 주변 물질들이 점차 모여들게 되고 이러한 성간 물질들로 인해 가스 구름이 형성됩니다.
2. 성운의 형성
밀도가 큰 곳에서 중력이 주변의 물질들을 끌어모아서 만들어진 가스 구름이 중력에 의해 수축되는 현상이 발생합니다. 그리고 이렇게 가스 구름으로부터 성운이 형성되는데요, 성운이라는 말은 말 그대로 별의 구름이라는 뜻입니다. 별과 별 사이의 공간에 있는 물질인 성간 물질이 중력에 의해 밀집하게 되므로 천체가 구름 모양으로 보이게 되는 것입니다.
3. 원시별 형성
구름 모양으로 보이는 천체인 성운 단계를 지나 내부 물질의 밀도가 큰 부분에서 여러 개의 원시별을 형성하게 됩니다. 그리고, 원시별은 중력에 의한 수축이 발생하면서 온도와 압력이 점차 높아지게 됩니다.
4. 별의 탄생
원시별은 중력 수축 에너지에 의해 내부 온도가 1000만K 이상까지 올라가게 되는데, 이 지점에서 수소 핵융합 반응(4H2 → He)이 일어나게 되고, 핵융합으로 발생된 에너지로 인해 빛을 방출하게 되면서 별이 됩니다. 이때의 별을 주계열성이라고 하는데 아래와 같이 별도로 정리를 해보죠.
이제 간략하게 정리를 하면 별이 탄생하는 과정은 아래와 같이 요약할 수 있습니다.
가스 구름의 형성 → 성운의 형성 → 원시별 형성 → 별의 탄생
주계열성 (Main Sequence Star)
주계열성은 수소 핵융합 반응으로 에너지를 방출하는 별을 의미합니다. 우리에게 친숙한 태양 역시 주계열성인데요, 별의 크기가 일정하게 유지되는 특징이 있습니다. 이 부분은 아래에 별도로 적어보고요, 수소는 별이 생성되었을 때 가장 풍부한 원소이기 때문에 수소 핵융합 반응은 아주 오랜 시간 동안 지속적으로 일어나게 됩니다. 따라서, 별은 긴 생애 대부분의 기간을 주계열성으로 보내게 되고요. 태양의 수명은 수소 핵융합 반응에 의한 에너지 방출 측면에서 추산할 때 약 100억년으로 생각할 수 있는데 현재 시점에서 약 50억년의 시간이 경과되었기 때문에 남은 수명은 약 50억년입니다. 약 50억년의 기간 동안 수소 핵융합 반응이 일어난다고 생각하면 되겠죠.
주계열성에서 수소 핵융합 반응
온도가 1000만K 이상인 별의 중심부에서 과정을 단순하게 살펴보면 4개의 수소 원자핵이 결합하면 1개의 헬륨 원자핵이 됩니다. 이때 누구나 한 번은 보았을 식, E=Δmc^2에서 질량이 에너지로 전환됨을 함께 이해하면 됩니다. 4개의 수소 원자핵이 1개의 헬륨 원자핵이 되는 과정은 결합에너지로 인해 0.07%의 질량 결손이 발생함을 의미하게 되고 이 부분이 에너지로 전환되는 것입니다. 그리고, 이 에너지가 빛의 형태로 우주 공간으로 방출되는 것이죠.
우리에게 익숙한 주계열성인 태양에서 수소 핵융합 반응에 의한 에너지 생성은 아래 포스팅을 참조하시기 바랍니다.
2023.11.23 - [과학] - 태양 에너지의 생성 (수소 핵융합 반응)
태양 에너지의 생성 (수소 핵융합 반응)
태양의 구조 태양은 대부분 수소(H)와 헬륨(He)으로 구성되어 있으며, 구조를 살펴보면 중심에서부터 핵, 복사층, 대류층으로 구분이 됩니다. 핵(core) : 태양의 중심부로 태양에너지가 생성되는 곳
jcspirit.tistory.com
주계열성의 일정한 크기
위에서 주계열성은 크기가 일정하게 유지된다고 하였는데요, 주계열성에서 중력은 별의 중심 방향으로 작용을 하는 반면에 내부의 압력은 수소 핵융합 반응으로 인해 바깥쪽으로 작용을 하게 되므로 평형을 이루게 됩니다. 이에 따라 별이 일정한 크기를 유지하게 되는데요, 만약에 중력이 내부 압력보다 크다면 별의 수축이 발생하고 내부 압력이 중력보다 크다면 별이 팽창하게 되겠죠.
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