별의 진화
지난번의 포스팅에서 정리한 바와 같이 별은 가스 구름의 형성, 성운 형성, 원시별 형성의 과정을 거쳐서 탄생하게 되고, 이후에 생애 기간 동안 진화를 하게 됩니다. 이때 별은 만유인력의 법칙을 생각해 보면 알 수 있듯이 질량이 클수록 중력이 크기 때문에 중심부의 온도가 달라지게 되어 질량에 따라 다르게 진화를 하게 됩니다.
2023.12.18 - [과학] - 별의 탄생 과정과 주계열성
별의 탄생 과정과 주계열성
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
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이러한 별의 진화 과정(Life cycle of a star)은 우선 아래의 이미지를 참고할 수가 있는데, 태양과 질량이 비슷한 별과 질량이 태양의 약 10배 이상 되는 별로 구분하여 정리를 해보겠습니다.
질량이 태양과 비슷한 별의 진화 과정
질량이 태양과 비슷한 별은 주계열성으로부터 아래의 과정을 거쳐 진화를 하게 됩니다.
주계열성 → 적색 거성 → 행성상 성운 → 백색 왜성
주계열성의 중심부에서 수소 핵융합 반응이 계속 발생하는데, 결국 수소가 고갈되면 반응물이 소진되었으므로 수소 핵융합 반응이 멈추게 되겠죠. 그러면 중력은 질량에 의해 유지가 되지만 내부 압력은 낮아지게 됩니다. 이에 따라 주계열성의 중심부가 수축을 하게 되는데 수축으로 인해 열이 발생하면서 중심부 바깥쪽의 수소층이 가열이 됩니다. 그러면 중심부 바깥쪽에서 가열된 수소층에 수소 핵융합 반응이 진행되고 이로 인해 다시 내부 압력이 커지게 되므로 별은 팽창하고 온도가 낮아지게 됩니다. 온도가 낮아지면 가지고 있는 에너지가 낮다는 뜻이 되고, 이는 방출하는 에너지의 파장이 길다는 것이 되므로 가시광 영역에서 장파장인 적색이 됩니다. 참고로, 빛의 에너지는 간략하게 말하자면 진동수에 비례하고 파장에 반비례하기 때문입니다. 이러한 과정을 거치게 되면 주계열성에서 적색 거성(Red Giant)이 됩니다. 참고로, 주계열성인 태양의 경우에 만약 수소 핵융합 반응이 멈추게 되어 적색 거성이 된다면 팽창되는 크기가 화성 궤도에까지 이르게 되므로 지구는 사라지게 된다고 생각을 할 수 있습니다. 이 시점은 태양의 남은 수명인 약 50억년 후가 되겠네요.
이렇게 주계열성에서 적색 거성이 되면 중심부가 수축하면서 밀도가 증가하고 온도 역시 높아지므로 헬륨 핵융합 반응이 진행됩니다. 그 결과로 탄소와 산소가 생성되죠. 질량이 태양과 비슷한 별의 경우에 이러한 진화 과정을 거치면서 중심부가 1억K 수준까지 도달하게 되는데, 이는 탄소 핵융합 반응이 일어나는 온도에는 미치지 못하기 때문에 철보다 가벼운 원소까지 생성이 된다고 이해를 하면 되겠습니다.
그리고, 이렇게 적색 거성에서 헬륨 핵융합 반응이 일어나다가 헬륨이 고갈되면 헬륨 핵융합 반응도 멈추게 될 것입니다. 이제 적색 거성의 내부 압력이 다시 낮아지게 될 텐데 따라서 바깥층이 팽창하게 되면서 행성상 성운(Planetary nebula)이 되고 중심부는 수축을 거듭하면서 작고 밀도가 큰 청백색의 별인 백색 왜성(White Dwarf Star)이 됩니다. 행성상 성운은 행성 모양의 성운이라고 이해를 하면 되고, 대표적으로 헬릭스 성운이 있습니다.
질량이 태양의 약 10배 이상인 별의 진화 과정
질량이 태양의 약 10배 이상인 별은 아래와 같은 진화 과정을 거치게 됩니다.
주계열성 → 초거성 → 초신성 → 중성자별/블랙홀
위에서 설명한 대로 주계열성 중심부에 수소가 고갈되어 수소 핵융합 반응이 중단되면 별이 팽창을 하게 되는데요, 질량이 큰 별의 경우에 팽창을 크게 하게 되면서 초거성(Red supergiant)이 됩니다. 오리온자리에 보이는 붉은색의 별로 베텔게우스가 있는데, 지름이 태양의 약 1000배에 이르죠. 대표적인 초거성입니다. 초거성의 중심부에서 온도가 1억K 수준에 다다르게 되면 헬륨 핵융합 반응으로 탄소와 산소가 생성이 되고, 온도가 계속 높아지면서 약 30억K 정도까지 이르게 되는데 헬륨, 탄소, 산소, 규소 핵융합 반응이 연쇄적으로 진행되면서 네온이나 마그네슘과 더불어 철까지 생성이 됩니다. 참고로 철이 핵융합 반응을 하여 더욱 질량이 큰 원소를 생성하기 위해서는 에너지 방출이 아닌 에너지 흡수가 필요하기 때문에 여기서 철까지 생성되는 이유는 철은 원자핵이 아주 안정적인 구조를 이루기 때문으로 이해하여도 되며, 철을 별의 내부에서 만들어지는 가장 안정된 원소라고 생각하면 되겠습니다.
이렇게 형성된 초거성은 중심부에서 철이 생성되면서 핵융합 반응이 멈추게 되고 급격한 수축이 진행됩니다. 그리고, 결국에는 이 별이 폭발하게 되는데 바로 초신성(supernova)입니다. 이때 폭발로 엄청난 양의 에너지가 발생하는데 금이나 우라늄과 같이 철보다 무거운 원소가 생성됩니다. 그리고, 초신성이 폭발하면서 원소들이 우주 공간으로 방출이 되는데 성운처럼 보이는 초신성 잔해가 형성되죠. 게성운이 대표적인 초신성 잔해입니다.
초신성으로 폭발하게 되면 이제 남은 중심부는 밀도가 큰 중성자별(Neutron star)이 됩니다. 중성자로 이루어진 별이죠. 이 경우 질량이 매우 크다면 중력으로 인해 빛조차 탈출하지 못하는 블랙홀(black hole)이 형성됩니다.
위의 내용을 간략하게 표로 정리해 보면 아래와 같이 됩니다.
| 별의 질량 | 진화 | 핵융합 반응 | 생성 원소 |
| 태양과 질량이 비슷한 별 |
적색 거성 | 헬륨 핵융합 반응 | 헬륨, 탄소, 산소 등 철보다 가벼운 원소 |
| 행성상 성운, 백색 왜성 | - | ||
| 태양보다 질량이 약 10배 이상인 별 |
초거성 | 헬륨, 탄소, 산소, 규소 등의 핵융합 반응 |
헬륨, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 규소, 황, 철 (철보다 가벼운 원소) |
| 초신성 | - | 금, 우라늄 등 철보다 무거운 원소 | |
| 중성자별, 블랙홀 | - | - |
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