먼지로 시작하여 먼지로 돌아가는 별의 일생

스페이스 오페라 강연 5탄 "별, 그 위대한 삶의 이야기"

하루가 멀다하고 불어오는 미세먼지로 인해 먼지가 사람들의 공공의 적이 된지 오래이지만, 대기권을 조금만 벗어나면 사람들이 오히려 반겨주는 먼지들이 있다. 바로 ‘별 먼지(star dust)’라는 애칭을 가진 우주 먼지다.

우주 먼지란 우주 공간을 떠돌아다니는 아주 작은 알갱이를 가리킨다. 작은 눈덩이가 커지면 눈사람이 되듯이 이런 우주 먼지가 하나둘씩 모이다 보면 작은 조각이 되고, 여기서 점점 더 커지면 소행성과 행성이 되는 것이다. 결국 우주 먼지는 별이 만들어지는 씨앗이라고 볼 수 있다.

‘별, 그 위대한 삶의 이야기’라는 주제의 다섯번 째 스페이스 오페라 강연이 열렸다 ⓒ 카오스재단

지난 31일 온라인상에서 개최된 ‘스페이스 오페라(Space Opera)’ 다섯 번째 강연은 이와 같이 우주 먼지로 시작하여 결국에는 다시 우주 먼지가 되어 버리는 별의 탄생과 종말에 대해 알아보는 지식으로 채워졌다.

과학 대중화를 목표로 설립된 카오스재단이 주최한 이번 행사는 태양계를 시작으로 행성과 은하 등 우주와 관련된 모든 것을 전문가들의 다양한 시각에서 바라보자는 취지로 마련됐다.

밝기와 색깔에 따라 별의 환경 알 수 있어

‘별, 그 위대한 삶의 이야기’라는 주제로 발제를 맡은 김용철 연세대 천문우주학과 교수는 “아름답게만 보이는 별의 빛이지만, 그 빛 속에 다양한 별의 비밀이 숨어있다”라고 밝히며 “밝기와 색깔에 따라 별의 환경을 대략 알 수 있다”라고 말했다.

김 교수는 “별의 스펙트럼을 관찰해 보면 온도가 높은 별이 더 밝고, 더 푸른 것으로 나타났다”라고 설명하며 “이같은 스펙트럼을 그대로 태양빛에 적용해 보면 비율이 다를 뿐이지 구성 성분은 지구와 비슷하다”라고 덧붙였다.

그의 설명처럼 별의 밝기는 거리가 가깝고, 온도가 높으며 크기가 클수록 밝게 보이는 것으로 나타났다. 따라서 별의 크기와 온도를 알기 위해 관측하고자 한다면, 같은 거리에서 비교할 필요가 있다.

관측한 별의 스펙트럼을 분석하면 별의 환경을 분석할 수 있다 ⓒ 카오스재단

별이 빛과 열을 내는 원리는 내부에서 원자핵이 융합하기 때문이다. 항성(恒星)이라고 불리는 별은 내부에서 수소 원자 4개가 헬륨 원자 1개로 융합되는 과정을 통해 엄청난 빛과 열을 발생시킨다. 원자핵이 고온 및 고밀도 환경에서 충돌하며 더 무거운 핵으로 합쳐지는 과정에서 에너지가 방출되는 것이다.

천문학계에서는 태양계가 형성될 때 목성이 조금만 더 질량이 무거웠다면 제 2의 태양이 되었을 것으로 추정하고 있다. 핵융합에 필요한 재료인 수소와 헬륨이 풍부한 점 등, 전체 원소의 구성비가 태양과 비슷하기 때문이다.

그럼에도 불구하고 목성이 태양처럼 항성이 되지 못한 이유는 태양보다 상대적으로 낮은 질량 때문이라는 것이 천문학자들의 의견이다. 태양보다 질량이 현저하게 낮다보니 내부에서 고온과 고밀도가 유지되지 못해 핵융합이 일어나지 못하게 된것으로 분석하고 있다.

김 교수는 별의 진화 과정을 설명하기 위해 등연령곡선(stellar isochrone)에 대해 소개했다. 등연령곡선은 질량이 무거운 별이 가벼운 별에 비해 빨리 진화한다는 원리를 소개할 때 사용하는 그래프로서, 일반적으로 항성의 나이를 추정할 때 활용한다.

질량의 크기에 따라 별의 일생 달라져

김 교수의 설명에 따르면 별의 내부 환경을 파악하기 위해서는 여러 가지 이론과 기법이 필요한 것으로 나타났다. 내부 온도를 파악하기 위해서는 ‘중성미자 생성률(neutrino production rate)’을 분석하고, 밀도 분포를 조사하기 위해서는 ‘타원궤도 이동(apsidal motion)’ 기법을 적용해야 하는 것으로 나타났다.

김 교수는 “별은 처음 탄생할 때의 질량에 따라 그 진화 과정이 달라진다”라고 언급하며 “질량이 작은 경우에는 적색 거성으로 진화한 다음에 백색왜성 형태로 변하여 종말을 맞이하지만, 질량이 큰 경우에는 초거성으로 진화한 후 초신성 폭발을 통해 중성자별이나 블랙홀로 바뀌며 생을 마치게 된다”라고 전했다.

실제로 별의 일생은 질량이 결정한다는 것이 천문학계가 밝혀낸 결과다. 질량의 크기에 따라 별의 운명이 바뀌게 되는 것인데, 별의 마지막 형태와 관련하여 현재까지 알려진 바로는 백색왜성과 중성자별, 그리고 블랙홀 등인 것으로 나타났다.

백색왜성은 태양 질량의 0.08배 이상 또는 8배 이하의 질량을 가진 별의 최후의 형태다. 대부분의 별의 마지막은 백색왜성 형태로 바뀌게 된다는 것이 천문학계의 설명이다.

먼지에서 시작하여 먼지로 되돌아가는 별의 일생 ⓒ 연세대

반면에 중성자별은 태양 질량의 8~30배의 항성이 초신성 폭발을 일으켜 1㎤당 200t에 달하는 초고밀도의 별로 바뀐 형태를 말한다. 중성자별은 원래 지니고 있던 자기장이 압축된 채 형태가 바뀌게 되므로 아주 강한 자기장을 갖게 되는 것이 특징이다.

중성자별과 밀접한 형태인 초신성(supernova)은 마지막 단계에 이른 별이 폭발하면서 생기는 엄청난 에너지를 순간적으로 방출하여 그 밝기가 평소의 수억 배에 이르렀다가 서서히 낮아지는 현상을 말한다. 별의 일생 가운데 갑작스러운 죽음의 단계를 의미한다.

발표를 마무리하며 김 교수는 “별의 일생은 가스와 먼지로 이루어진 성간물질에서 시작하여 별이 폭발하며 나오게 되는 가스와 먼지로 구성된 잔해물과 블랙홀 등으로 되돌아 간다고 볼 수 있다”라고 말했다.

그러면서 “그 사이에 별의 생성과 진화, 그리고 죽음에 이르기까지의 모든 과정은 우리 모두가 별 먼지가 되는 일련의 단계가 될 것”이라고 전망했다.

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