The Science Times

태양은 지구의 지름보다 109배나 큰 별이다. 스스로 빛을 내뿜고 있다. 무게는 태양계 전체의 99퍼센트를 차지한다. 태양에서 내뿜는 에너지는 지구뿐만 아니라 다른 행성과 위성, 소행성, 혜성 등 태양계 전체를 움직이게 하는 원동력이다.

이 에너지를 통해 태양계가 움직이고, 또한 지구에서는 생명체가 살아나갈 수 있다. 지구에게는 어머니 같은 존재다. 그러나 이 태양이 죽어가고 있다. 그동안 과학자들은 50억 년 간에 시간을 거쳐 태양이 소멸할 것으로 예상하고 있었다.

과학자들은 그동안 컴퓨터를 이용한 수학 모델을 통해 우리들의 별이 마지막 순간 어떻게 변모할 것인지에 대해 다양한 예측 결과를 발표해왔다. 그리고 태양이 다른 별들처럼 행성상 성운(planetary nebula)으로 변모할 것인지에 대해 격렬한 논쟁을 벌여왔다.

약 50억 년 후 태양 역시 다른 별처럼 행성 같은 가스 성운으로 변신해 수백만 년 간 안도로메다 성운에서 볼 수 있을 정도로 강력한 빛을 발산할 것이라는 연구 결과가 과학자들을 통해 발표됐다.
ⓒNASA

“태양의 핵 온도 매우 강력해”

행성상 성운이란 행성 모양을 한 가스 성운을 말한다. 실제로 지난 2012년 NASA(미항공우주국)은 허블 및 찬드라 X선 우주망원경으로 촬영한 행성상 성운들의 모습을 공개한 바 있다. ‘고양이 눈’으로 알려진 ‘NGC 6543’를 비롯, ‘NGC 7662’, ‘NGC 7009’, ‘NGC 6826’ 등.

태양과 같은 별이 중심부의 수소를 모두 사용하면 수십 배에서 수백 배의 크기로 팽창하면서 적색거성이 된다. 이 상황에서 핵을 둘러싸고 있던 외부의 층들이 떨어져 나가면서 뜨거운 핵을 남기는데 이것은 곧 압축돼 밀도가 높은 백색왜성이 된다.

뜨거운 중심에서 나오는 고속의 바람은 핵의 외부 층이 핵으로부터 떨어져 나와 생성된 대기층 쪽으로 강하게 돌진하면서 대기를 외부로 밀어낸다. 이때 빠른 바람이 핵으로부터 방출된 대기와 충돌해 충격파가 일어나고 X선이 방출된다.

이 X선 방출을 통해 원반, 타원 모양 등 다양한 모습의 행성상 성운 이미지가 생성되고 있음을 확인했다. 과학자들은 다른 별들의 사례에 비추어 태양이 행성상 성운으로 변모할 수 있을지에 대해 연구를 진행해왔다.

그리고 50억 년 후 태양이 이처럼 행성상 성운으로 변모할 수 있을지에 대해 강한 의문을 제기해왔다. 행성상 성운으로 변모하기 위해 태양의 질량이 너무 작다는 것. 과학자들은 태양이 행성상 성운이 되기 위해 지금의 태양보다 두 배는 커야 한다고 주장해왔다.

8일 ‘가디언’ 지에 따르면 그러나 영국 맨체스터 대학이 주축이 된 국제 연구팀이 새로운 컴퓨터 모델을 통해 이전과 정반대의 결과를 도출했다.  태양과 같은 적은 질량의 별도 3배 강한 온도로 팽창할 수 있으며, 크기가 더 큰 별들보다 더 밝은 행성상 성운으로 변모할 수 있다는 것.

태양이 행성상 성운으로 변모해 수백 만 년 동안 빛을 내며 그 존재를 지속해나갈 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 태양의 질량과 크기가 너무 작아 행성상 성운으로 변모가 불가능하다는 수학적 모델을 통해 도출한 기존 주장을 뒤집는 것이다.

“태양 폭발 후에도 소멸치 않아”

멘체스터 대학의 우주물리학자 앨버트 지욜스트라(Albert Zijlstra) 교수는 “예측 결과 태양이 매우 아름다운 행성상 성운으로 변모할 것이며, 이웃 은하계에서도 보일 만큼 밝은 빛을 분출할 것으로 예측됐다.”고 말했다.

교수는 “누가 안드로메다 성운 200만 광년 떨어진 곳에 있다면 행성상 성운으로 변한 태양의 모습을 명확히 볼 수 있을 것.”이라고 말했다. 논문 제목은 ‘The mysterious age invariance of the planetary nebula luminosity function bright cut-off’이다.

여러 모로 보았을 때 태양은 평범한 별이다. 약 50억 년의 나이를 먹은 중년의 별로 크기 역시 다른 별과 비교해 중간 수준인 것으로 나타나고 있다. 태양의 마지막 순간에 중심부의 수소를 다 써버려 수십~수백 배의 크기로 팽창하면서 적색거성이 될 것임을 예측했다.

다른 연구와 다른 점은 이후 일어나는 과정을 이전보다 더 정확한 수치로 구체적인 과정을 도출해냈다는 점이다. 연구팀은 적색거생이 된 후 둘러싸고 있던 외부의 층들이 초속 20km의 속도로 떨어져 나가면서 핵의 온도가 더 올라가 백색왜성이 된다.

뜨거운 중심에서 나오는 고속의 바람은 핵의 외부 층이 핵으로부터 떨어져 나와 생성된 대기층 쪽으로 강하게 돌진하면서 대기를 외부로 밀어낸다. 이 과정에서 자외선과 X선을 방사하고, 밝게 빛나는 플라즈마 고리를 형성한다고 설명했다.

이 고리가 행성상 성운의 모습을 띠게 되는데 태양의 경우 이 빛이 약 1만 년 간 이어질 것으로 내다봤다. 이전의 연구 결과에서는 적색왜성이 된 후 태양의 핵의 온도가 천천히 상승하면서 태양이 외부 층을 잃게 된다고 예측한 바 있다.

백색왜성 상태에서 강력한 바람으로 가스와 먼지로 된 대기를 외부로 분출하기 위해서는 약 섭씨 3만도의 온도가 유지돼야 하는데 태양의 경우 이 수준에 도달하지 못해 소멸하게 된다는 것이 지배적인 이론이었다.

지욜스트라 교수는 “우리들이 새로 도출한 것은 태양이 변모한 백색왜성의 핵이 바깥층을 외부로 밀어낼 만큼 뜨거운 온도를 수백만 년 동안 유지할 것이라는 것”이라며 “태양이 행성상 성운으로 변모할 가능성이 매우 크다.”고 말했다.

태양의 태양계의 질서를 결정하고, 또한 지구 생명체를 생존할 수 있게 하는 에너지의 근원, 지구에게는 어머니와 같은 존재다. 그러나 과학자들은 다른 별들이 소멸하는 것처럼 태양 역시 소멸 과정을 거칠 것이라는데 동의해왔다.

그리고 지금 중년에 접어든 태양은 나이를 먹어가면서 미세하지만 더 밝아지고 있는 중이다. 시간이 더 지나 20억 년이 지난 후에는 바닷물을 데울 만큼 더 뜨거워지고, 마지막 단계에 대폭발이 있으며, 기체로 구성된 행성상 성운으로 변모할 것이라는 예측이다.

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