수소 원자 먼지 덩어리가 뭉쳐 항성을 형성
항성의 질량에 따라 갈색왜성, 백색왜성, 초신성, 중성자별, 블랙홀 등의 결말
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 도심에선 불빛이 너무 강해 볼 수 없지만 인적이 드물고 불빛이 어두운 변두리 지역으로 간다면 밤하늘에 떠 있는 무수히 많은 별을 볼 수 있다. 동요 '반짝반짝 작은 별'이라는 이름에서 알 수 있듯이 밤하늘의 별은 빛나는 아주 작은 점으로 보인다.
정말로 이 별들은 작은 것일까? 정답은 아니다. 일반적으로 상상도 할 수 없을 만큼 멀리 떨어져 있기 때문에 작은 불빛으로 보일 뿐 크게는 태양의 십수 배의 질량을 가지는 별들도 있다. 이러한 별들은 태양빛을 반사하여 빛나는 달이나 샛별과 달리 스스로 빛을 내는 천체다.
어떻게 별, 즉 항성이 우주에 생겨났으며 왜 빛나고 수명이 다한 항성의 결말은 어떠한지 알아보고자 한다. 답은 1983년 노벨 물리학상을 받은 수브라마니안 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910~1995)와 윌리엄 파울러(William Fowelr, 1911~1995)가 대답해 준다.
수브라마니안 찬드라세카르, 윌리엄 파울러
밤하늘에 아름답게 빛나는 별은 수많은 문학의 소재가 되었을 만큼 인류 역사에 있어서 아름다움과 로망의 대상이었다. 하지만 아이러니하게도 항성은 우주의 먼지 더미인 성운에서 만들어진다.
이 우주의 대부분은 수소 원자로 이루어져 있다. 양성자 1개와 전자 1개로 이루어진 가장 심플한 원자인 수소가 가장 많은 것은 어떻게 보면 당연해 보인다. 각자 안정된 상태로 우주를 떠돌고 있는 수소 원자가 외부적인 요인으로 한 장소에 뭉치게 되면 중력에 의해 서로를 조금씩 끌어당기게 된다.
작용하는 힘은 다르지만 마치 장롱 밑의 먼지가 서로 정전기적인 힘에 의해 끌어당겨 커다란 먼지 덩어리를 만드는 것과 유사하다고 생각하면 이해가 쉽다.
초기 우주에는 작은 불균형이 이러한 뭉침을 만들어냈다고 여겨졌으며 현재 만들어지는 항성들은 기존에 있던 거대한 항성이 폭발한 가스들이 높은 밀도로 인해 다시 뭉쳐져 발생한다고 여겨진다. 이러한 우주의 먼지 덩어리를 성운이라고 부른다.
성운에서 먼지가 뭉쳐지면 합쳐진 질량으로 인해 주변의 다른 수소 원자를 끌어당기게 되고 먼지 덩어리는 계속해서 질량이 커지게 된다. 이 과정에서 끌려오는 수소 원자는 중력에 의한 위치 에너지가 낮아지는데 낮아진 만큼의 에너지만큼 입자의 운동에너지로 변환되며 이 말은 끌려온 수소 원자는 뜨겁다는 의미가 된다.
영화에서 낙하하는 인공위성이나 운석들이 불타면서 떨어지는 것과 유사한 원리라고 받아들인다면 직관적으로 이해하기 쉽다.
이렇게 먼지 덩어리가 점점 커지면서 뜨거워지다 수소 핵융합이 일어나는 온도에 도달하게 된다. 수소 핵융합은 수소 원자핵이 합쳐져 헬륨 원자핵을 만들어내는 과정으로 이때 어마어마한 양의 에너지가 생성되며 이 에너지를 이용해 무기로 만든 것이 수소 폭탄이다.
수소 핵융합이 연쇄적으로 일어난다는 것은 먼지 덩어리에서 계속해서 폭발이 일어난다는 의미이므로 먼지 덩어리는 팽창할 것이다. 먼지 덩어리의 질량이 충분히 커서 팽창하려는 기체의 압력과 중력이 서로 균형을 이룬다면 수소 핵융합에 의한 에너지를 빛의 형태로만 방출하는 천체, 즉 항성이 만들어진다.
심지어 질량이 아주 큰 항성의 경우 수소 원자뿐만 아니라 헬륨도 핵융합 반응을 일으켜 탄소 등의 원자를 만들고 이보다 더 큰 경우 항성의 핵에 철 원자핵까지 형성해버린다.
자연상태에서 가장 안정적인 원자핵은 철이기 때문에 핵융합 과정은 철에서 끝나지만 만약 항성이 수명을 다하고 초신성 폭발로 거대한 에너지가 방출되는 경우 철마저 핵융합 반응이 일어나 높은 원자 번호의 원자를 생성하여 자연계에 철보다 무거운 원자들이 발견된다고 여겨진다.
그러나 질량이 헬륨 원자핵이 핵융합을 일으키지 못할 정도로 작은 항성의 경우 수소 원자가 전부 핵융합을 해버리면 항성이 불타오를 연료가 다 떨어지게 된다. 꺼져버린 항성은 더 이상 팽창을 할 수 없어 중력에 의해 수축하게 되며 온도가 낮고 크기도 아주 작은 가스 덩어리인 갈색왜성으로 변하게 된다.
태양과 같이 헬륨까지 핵융합을 할 수 있는 항성은 중력 수축에 의한 열로 데워져 빛을 내는 백색왜성이 된다. 하지만 백색왜성도 핵융합 반응을 일으키지 않아 결국 천천히 식어가다 불빛이 꺼져버려 흑색왜성이 된다고 여겨진다. 이론적으로 백색왜성이 식어 흑색왜성이 만들어지는데 걸리는 시간은 수백조 년이 걸리기 때문에 아직까지 흑색왜성은 이론적으로만 존재한다.
만약 질량이 아주 큰 경우는 어떻게 될까? 질량이 거대한 항성은 중력 수축 에너지마저 막대한 양을 가진다. 이렇게 달아오른 항성의 핵은 그 에너지를 견디지 못하고 결국 폭발하게 되는데 이를 초신성 폭발이라 부른다.
초신성이 폭발하여 높은 원자 번호의 원자들이 만들어지며 방출된 가스들은 성운을 형성한다. 핵이 폭발하고 남은 가스, 즉 수소 원자들이 다시 중력에 의해 뭉쳐 다시 항성을 만들어내고 높은 원자번호의 원자들이 뭉쳐 행성을 만들어 태양계가 형성되었다고 여겨진다.
그래서 태양계 안쪽엔 고체로 이루어진 지구형 행성이 바깥쪽에는 가벼워 멀리 날아간 수소, 헬륨 원자핵이 뭉쳐져 만들어진 가스 행성, 목성형 행성이 만들어졌다고 생각된다.
태양보다 8개량 무거운 항성들은 초신성 폭발을 일으키고 핵이 백색왜성이 되는데 백색왜성의 질량이 너무 커서 찬드라세카르 한계를 넘어가게 되고 백색왜성 상태에서 중력 수축을 한다. 이 경우 너무나 큰 중력으로 인해 핵을 이루는 원자들이 더 이상 원자 상태를 형성하지 못한다.
원자에는 양성자와 전자가 정전기적인 인력에 의해 합쳐지지 못하도록 하는 양자역학적인 힘인 축퇴압이 존재한다. 그런데 찬드라세카르 한계를 초과하는 경우 중력이 축퇴압마저 이겨내어 원자들이 짜부라지고 양성자와 전자가 합쳐져 베타붕괴를 일으켜 중성자를 형성하게 된다. 이렇게 모든 원자가 중성자가 되어버린 천체를 중성자별이라고 부른다.
블랙홀
이보다 더, 대략 태양 질량의 10배가 넘어가는 항성의 경우 중성자별마저 붕괴하고 물질들이 수축될 수 있는 한계를 넘어가면 블랙홀이 만들어진다.
블랙홀은 중력이 너무나 강해 빛마저 빠져나갈 수 없어 검게 보이는 천체로 아직까지 많은 미스터리에 싸여있는 천체다. 블랙홀은 현대의 많은 SF 영화, 소설 등에서 대중의 상상력을 자극하는 존재로 종종 등장한다.
빛이 빠져나올 수 없는 중력의 영향권을 슈바르츠실트 반지름 혹은 사건의 지평선이라 부르는데 이 내부는 차원마저 강하게 왜곡되어 있어 외부에서 관측이 어려워 내부의 물리적인 특성과 물질들의 상태는 현대 과학의 큰 숙제로 남아있다.
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[MHN 과학] '반짝반짝 작은(?)별' 별의 탄생과 죽음-블랙홀, 1983 노벨 물리학상: 별의 생성 및 소멸
수소 원자 먼지 덩어리가 뭉쳐 항성을 형성
항성의 질량에 따라 갈색왜성, 백색왜성, 초신성, 중성자별, 블랙홀 등의 결말