별의일생, 별의탄생과 죽음, 적색거성, 초신성, 블랙홀

[白山]

"별의일생. 별의탄생과 죽음. 적색거성. 초신성. 블랙홀"

안녕 님들아,
오늘은 별의 일생에 대해 알아보려고 합니다.

개인적으로는 별의일생이나 블랙홀 같은 뭔가 좀 너무 오랜세월동안 진행되는 이야기는 별로인데, 사실 이미 써놓은

베텔기우스에 대한 이야기를 포스팅 하려면, 필연적으로 이 글이 있어야 되겠더군요. -_-;;;

원래, 베델기우스 이야기 안에 이 내용을 집어 넣으려고했었는데,  그러다보니 또 길이 엄청 길어지네요.

할수없이 잘라내고 살을 좀더 붙여서 별도로 포스팅 합니다..(문제는, 베텔기우스가 이미 포스팅되었다는것. ㅠㅠ 

뭐하자는건지.. ㅠㅠ)

​
아무튼 처음 의도했던 순서가 좀 바뀌긴 했고. 나름 간단하게 쓰려고 했는데 그래도 짧지는 않을것 같습니다.

블로그 포스팅은 짧게. 그림은 적당히. 이모티콘도 좀 써가면서 만들어야 좋다고 하는데, 그게 잘 안되네요;;
오지랍이 넓은건지.. 설명하는걸 좋아해서 그런건지..  ㅋㅋㅋ
내 블로그가 그닥 흥하지 않는 또하나의 이유인듯;; -_-;;; ㅎㅎㅎㅎ

이야기를 시작하기에 앞서,

우리가 밤하늘을 보면서 반짝이는것들을 "별" 이라고하죠 ?

"별" 이라는건 "항성". 즉 스스로 빛을 내는 천체를 말합니다.

근데, 반짝이는 별 외에도,   스스로 빛을내지 못해서 반짝이지 않는 것들이 있겠죠?

그것들은 "별"이 아닙니다.

즉, 지구나 화성과같이 "별"의 주위를 도는 "행성"들은 "별"이 아닙니다.. 그냥 "천체" 죠.​

그래서, 목성이나 토성과같은 태양계의 행성을 발견할때, 별도 아닌것이 눈에 보이는것에 주목을 하게되었고,

처음에는 "유령별"이라고 했다고 하죠.

자. 밤하늘에 저렇게 많은 별 들도,  삶이란게 존재할까?

옛날 사람들은, 며칠 전이건 어제건 오늘이건 항상 변함없이 비춰주는 태양을 보고 이것이야말로 죽지않는 불사신일거라

생각했을 것 같습니다.

실제로 이렇게 변함없는 태양의 모습 때문에 태양을 신으로 삼는 고대인들도 많았죠. 
현실은??  그저 우주에 흔하디 흔한  별,.  항성중의 하나. (품질?이 좀 좋은 항성이란것 맞음;; ㅇㅇ)

어차피 연료를 다 소진하면 빛을 잃고 종국에는 소멸되어 버리겠죠.

이렇게 밤하늘의 별도 삶이란 게 존재합니다.

보통 별의 수명은 짧게는 수백만년에서부터 길게는 수천억년까지 아주 다양하기 때문에, 고작 백년사는 우리는 이것을

볼수도 없고, 도저히 이해할 수 없을뿐이지만요.

그간 우주에는 얼마나 많은별들이 만들어지고 살다가 사라지기를 반복했을까요 ?​
 
금부터 별이 어떻게 탄생하고 어떻게 성장하며 어떻게 죽는지 알아보도록 하겠습니다.

​
 1. 별의 탄생

중앙좌하단에 말머리성운. 오른쪽 상단의 오리온 성운,. 별등의 요람.

​http://blog.naver.com/notenter9/220781394095

말머리 성운, 오리온성운, 오리온자리, Horsehead, 말머리성운을 찾아보자.

"말머리 성운, 오리온성운, 오리온자리, Horsehead, 말머리성운을 찾아보자."별자리부터 하나 보고 시작할...

blog.naver.com

자.

별좀 본다는 분들의 수많은 관측결과에 의하면,
별은 성간물질이 모인 성운에서 주로 만들어진다고 합니다.. 즉 성운이 별들의 공장인 셈이죠.
 
하지만 성운이 있다고해서 바로 별이 만들어지는 건 아나라고합니다.
성운 그 자체로는 힘의 평형단계에 있다고 볼 수 있는데,  이 평형을 깨트리는 뭔가의 영향에 의해서 별이 된다는 것.
 
즉, 어떠한 힘이 가해지지 않으면 성운은 영원히 성운일 뿐, 별이 될 수 없다는겁니다.

지금 넓디넓은 우주공간의 빈공간 대부분이 빈공간으로 남아 있는것은 그것이 빈공간이라서 일까요?​

아무튼,​
보통 이렇게  아슬아슬하게 균형을 이루고 있는것을 깨트리는 힘은,  초신성 폭발에 의한 충격파가 대표적이라고 볼 수

있는데, 우리 태양계도 이런 초신성 폭발로 탄생했다는 가설이 있기도 합니다.
 
이러한 충격파로 힘의 균형이 깨지면 성운 내에서도 밀도가 높은곳과 낮은 곳이 존재하게 되는데, 

(밀도가 높다는 것은 그 주변에 가스와 먼지가 모여있다는 뜻)

밀도가 높은곳은,  다른곳보다 질량이 크기 때문에  중력이 근소하게나마 커질겁니다. 그렇죠?
 
비록 근소하게 커졌다고해도, 여기는 우주공간. 즉.  아무런 힘이 작용하지 않는 곳에서  중력이라는 힘이 발생했기 때문에, 

먼지들이 서서히 중력에 의해서 끌려가기 시작하겠죠.
 
점점 먼지들이 많이 뭉쳐지면서 중력은 더 쎄지고, 중력이 더 쎄지면 더 많은 먼지를 끌어모으게 되는데,

이러한 연쇄반응이 계속 일어나겠죠.

좁은 곳에 한꺼번에 많은 물질들이 갑자기 밀려들어오게되면,  일종의 병목현상이 일어나서 먼지들은 원반모양을

형성하게 되고, 이에따라 동시에 회전을 하게 됩니다..

이쯤에서 뭔가 머리속에서 어떤 그림이 떠오르죠 ?
 
이렇게 되면 Bok Globule이라는 초기단계의 별이 생성되는데,  이들은 여기서 멈추는 게 아니라 오히려 물질을 더욱 많이

빨아들이게 됩니다. 

까만 점들이 Bok Globule

이때 자체 중력의 힘으로 뭉친 먼지들은 수축을 하게되는데, 이과정에서 열이 발생 합니다..

물론 이 열은 적외선의 형태로 바깥으로 방출되기때문에, 우리눈에는 보이지 않지요.

적외선을 발견한 윌리엄 허셜

독일출신의 영국과학자인 이양반은 천왕성을 발견하고, 은하의 이론을 정립시켰으며, 음악가로서도 뒤어난 실력을

보여주었습니다.

그의 업적은 정말 많지만, 그중 대표적인것이 바로 적외선.

프리즘을 통한 빛의 스펙트럼과 관련된 온도실험을하다 적외선을 발견하게되는데,

일곱가지 색중에서 빨강색밖의 따뜻하지만 보이지 않는 광선영역이라고해서 적외선이라 이름붙입니다..

​아무튼, 별의 생성과정에서 발생하는 열은 적외선이기때문에,  과학자들은 한창 태어나는 별들을 관찰하기 위해서

적외선 망원경을 주로 이용하는 것입니다.

아무튼, 이렇게 모이게 되면 Pre main-sequence, 즉 전주계열성이 탄생 합니다.

전주계열성은, 말 그대로 "주계열성의 전".

즉, 이제 내부 핵분열을 할 준비를  마쳐가는 것이죠.

어떤 별들은 극쪽으로 강력한 전자기파를 내뿜기도 한다.
 
충격파로 모이기 시작하면서 이 전주계열단계까지 오는 시간은 별마다 약간씩 다릅니다. 밀도등이 기간을 좌우하겠죠.

보통 태양과 같은 "평범한 별"들은 1~2천만년 정도가 소요되었을것 이라고 하는군요.
 
여기서 전주계열성을 두 부류로 나누는데, 하나는 태양질량의 두배까지 모은 전주계열성, 그리고 두배 이상 모은

전주계열성.태양질량의 최대 두배까지 모은 전주계열성은 티타우리(T-Tauri)라고 불리고, 

 

두배이상 모은 전주계열성은 Herbig Ae/Be라고 분류합니다.

 

한가지 특징이라면, Herbig Ae/Be라고 분류된 전주계열성들은,

진화해서 별이 되면 보통 별보다 더 밝아지고,  양 극축으로 강한 전자기파를 방출한다고 합니다.
 
평범한 별들은 보통 이 "준주계열성"단계에서 1억년 이상을 머무른다고 합니다.

그리고 충분히 질량이 모여서 내부가 뜨거워지면(보통 1천만도 이상) 내부에서 본격적으로 핵융합 반응을 일으키기 시

작하는거죠.

​
 주계열성

자체중력에 의한 핵융합이 시작되면, 그와 동시에 별은 모든방향으로 일종의 충격파를 날리게 되는데 이 충격파로인해

먼지들이 쓸려가버립니다..
 
이 충격파는 주변에 있던 잡다한 먼지와 티끌들을 밖으로 날려버리게되는데,  결국 별이 있던 주변은 말끔하게 정리되고

몇몇 행성들만 남게 되겠죠.
 
이때가 별의 탄생으로보는 싯점이며, 이러한 별을 주계열성이라고 불릅니다. 우리가 흔히말하는 태양이되는거죠.

​
2. 별의 성장

​

가장 밝은 별 중 하나인 시리우스 A 그 옆은 시리우스 B
 

일​단 주계열 단계에 진입하게 되면, 별의 내부는 안정적으로 변하고 이제 핵의 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합 반응을

하면서 짧게는 수백만년, 길게는 수백억년까지 이단계에 머무르게 됩니다.

 별마다 주계열성의 수명은 다른데, 이 수명은 전주계열 단계때 질량을 얼마나 끌어모았느냐에 달려 있습니다.

생각하기에는  커다란 별이 수소를 더 많이 가지고 있으니까 더 오래 살 것이라고 예측하는데, 별의 경우는 정반대 입니다.

 
크면 클수록 표면적이 넓어지기 때문에 더욱 많은 수소를 태우게 되겠죠?
게다가 더 많이 압축되어있어서 중심부의 온도와 압력은 상상을 초월할것이고..
 
이러한 초고온 초고압은 핵융합 반응을 더욱 부추기기 때문에 별의 수명과 크기는 반비례한다고 하는군요.

 
주계열의 별들은 밝기에 따라 밝은 순으로 O B A F G K M의 7단계로 나누고,  각 단계마다 10단계씩 세분화시킵니다.

 
그렇게 하늘의 별들을 총 70개로 구분합니다.. 우리 태양은 G2로 분류됩니다.

 

​보통 주계열단계에서 별은 수소를 계속 태우면서 내부의 평균원자량이 증가하기 때문에 내부압력이 서서히 증가합니다.

따라서 시간이 갈수록  별도 밝아지죠. 태양도 10억년 후에는 지금보다 약 10퍼센트정도 더 밝아질거라고 합니다.

 
 
3. 별의 죽음 

 

​별의 죽음은 후주계열단계에 진입하면서 시작 됩닏아.  후주계열은 말그대로 주계열의 막바지단계죠.

​
보통 주계열과 후주계열을 나누는 기준은 핵에 수소가 남았느냐 없느냐를 가지고 나눕니다.

그러니깐 후주계열은 내부의 수소가 고갈된 시점을 말하죠.

내부연료인 수소가 전부 소진되고하면, 수소핵융합의 부산물로남는(대략95%) 헬륨이 다시 핵융합을 하게되는데,

이 헬륨 핵융합이야말로, ​별의 마지막을 향해 달려가는 과정이 됩니다.

별(태양)은, 중력으로인한 자체내부 붕괴의 힘과, 핵폭발로인한 외부로 방출되려는 복사에너지가 

안정적으로 균형을 이루고 있는 상태인데,

헬륨이 핵융합되면서​ 베릴륨-8 을 지나 탄소를 만드는데, 이것이 탄소, 네온, 마그네슘, 산소 반응을 거치면서  별의 중심

온도가 엄청나게 올라게되고, 결국 규소 핵융합 반응을 시작하게 됩니다.

이 과정에서 황, 아르곤, 칼슘, 티타늄, 크롬, 철, 니켈이 만들어지는데,  이렇게 만들어진  니켈-56은 방사성 붕괴를

일으켜서 철-56으로 변하고, 이 핵융합 반응은 에너지를 소모하면서  별의 중력으로  수축하는데

이때 엄청난 열이 발생.  중심핵의 외피부근에 급작스러우면서도 폭발적인 핵반응이 일어나면서  별 전체가 폭발한다.  

이게 바로 초신성.

너무 나갔다.

다시 돌아갑니다.. ㅠㅠ

앞서, 별이 안정적인 힘의 균형이 깨지며, 폭발한다고 했는데, 이때 별의 죽음은 질량에 따라 나뉩니다.

태양질량의 0.8배보다 작은 경우, 0.8~4배인 경우, 4배 이상인 경우,

1. 태양질량의 0.8배보다 낮은 경우,
중심부의 핵은 헬륨을 핵융합시킬 열이 없기 때문에 그대로 쪼그라들게 됩니다.

이때 표층은 바깥으로 날아가서 행성상 성운을 만들기도 합니다.
 
2. 태양질량의 0.8배보다 크고 4배보다 작은 경우,
중심부의 핵은 마찬가지로 헬륨을 핵융합시킬만큼의 열이 충분치 않습니다. 그래서 역시 핵이 쪼그라들지요.
그때, 핵이 수축하면서 내뿜는 수축에너지는 주변의 수소부분을 가열하기 시작할겁니다.
이 때문에 주변부에서 다시 수소핵융합이 시작되고, 이 수소핵융합은 연쇄적으로 일어나는데, 이 결과로 핵은 줄어들고,

표층이 부풀어오르는 신기한 현상이 일어납니다. 즉 별이 커지는겁니다.
이때 별이 붉어지는 이유는, 핵융합에너지는 그대로인데도 별의 표면적이 늘어나 에너지가 분산되기 때문에  온도가

낮아져서 붉게 보이게 되는것이죠.

​

거성크기좀 보소.jpg

질량이 애매한 별들은 표층이 부풀어올랐다가 다시 온도가 낮아져서 수축하고 다시 부풀어오르는 일을 반복하기도 합니다.

보통 변광성이라고 부르는별이 이 단계에 해당합니다.
 
그러다가 결국 표층의 수소까지 다 쓰게되면 별은 더이상 표층물질을 잡아둘 중력이 없어져서 표층을 바깥으로 날려보내게

됩니다. 이게 바로 행성상 성운.

​
이렇게 표층을 날려버리고남은 알맹이를  백색왜성이라고 부릅니다.
이 백색왜성은 차차 식어가다가 흑색왜성이 돼버는데, 보통 흑색왜성까지 가는데 수천억년이 걸린다고 합니다.

 
 
3. 태양 질량의 4배 이상인 경우.

이 경우는 약간 특이한데, 이들 별의 중심부는 헬륨을 태울 충분한 온도가 되기때문에 다시 헬륨핵융합반응을 시작합니다.

이 헬륨 핵융합반응은 핵이 1억도이상일 때 가능하기 때문에 별은 더욱 밝아자고,  어떤 별들은 자외선까지 내뿜는다고 하죠.

 
하지만 수소 세개가 헬륨으로 바뀌었기 때문에,  그것이 유지되는 기간은 주계열의 1/3도 안될겁니다.

이 헬륨핵융합으로 탄소가 발생되고,  탄소핵융합으로 산소, 실리콘, 규소.. 등등해서 최종적으로 철과 납이 남게 되겠죠.

이 철과 납은 그 자체로 매우 안정적이기 때문에(전자배치) 이단계에 이르게 되면 핵융합반응은 멈춰버리게되는겁니다.

​
 

막바지에 치달은 초거성의 내부모습 

결국 이 핵은 자체 별의 팽창속도를 중력만으로는 이길 수 없게되어서  붕괴됩니다..
​

이를 중력붕괴라고 하는데, 이는 마치 고무줄을 길게 당겨 놓고 손을 뗀 바로 직후의 상황과 같을겁니다.

표층의 물질들은 고무줄처럼 튕겨져나가버럴텐데., 이현상을  초신성폭발이라고 합니다.

이러한 초신성 폭발의 밝기는 은하 하나와 견줄만한 밝기이고, 온도도 수천만도까지 치솟습니다.

때문에 이과정에서 다른 80여개의 원소들이 마구마구 생성됩니다.

슈퍼노바.jpg

현재 지구상에서 발견된 107개의 원소는 이러한 초신성폭발로 전부 만들어졌다고 하지요.

즉, 현존하는 모든 물질은 별의 폭발로인한 잔해라는것.​
 
초신성폭발후에는  중심부의 핵만 남게 되는데, 이 핵도 질량에 따라 다르게 변합니다.

이는 태양질량의 8배를 기준으로 나누는데,

중성자별 
​

핵의 질량이 태양의 4배보다 작은 경우, 핵은 중성자별이 됩니다.

그렇지만 질량이 그 이상인 경우 중성자별상태에서 더욱 쪼그라들어서 반지름이 3~4km에 이르면  블랙홀이 탄생하는겁니다.

블랙홀의 상상도

이 블랙홀은, 사실 스티븐호킹이 유명하게 만들었죠

"Consideration of black holes suggests, not only that God does play dice, but that he sometimes confuses us by throwing them

where they can't be seen.

블랙홀에서 보이듯이, 신은 주사위 놀이를 할 뿐만 아니라, 우리가 못 보는 곳에 던짐으로써 우리를 혼란스럽게 한다."

​
이런 뜬구름잡는 이야기로..  ㅎㅎ
 
블랙홀 역시 나중에는 죽겠죠.

아마도 천천히 증발하면서 질량이 줄어들고, 밝아지다가 또한번의 거대한 폭발로 소멸한것이라고 합니다.
다만, 이 과정자체는 어마어마한 시간이 걸릴것이고.,
​

만약, 블랙홀의 질량이 태양정도라면 3.4E+67년 정도  (이거 뭐라고 읽는지 아는분 손! )  걸린다고하는데;;
문제는 블랙홀의 질량이 결코 태양정도"밖에" 안될수가 없겠죠?

​
최소한 몇억배이상의 질량일터이니 무조건 저위에 3.4E+67(무량수전)년의 수억배.

쳇. 그냥 잊어버립시다. 까짓놈의것. ㅠㅠ 

무슨놈의 단위가 저따위인지.. ㅎㅎ

오늘은 별의 일생에 대해서 이야기를 해 봤습니다.

별의 일생이라는 주제는, 이렇게 간단하게 하나의 포스팅으로 다룰수 있는것 아니지만,

그래도 이렇게 수박 겉핧기로라도 다루어놓으면, 앞으로 관련 포스팅시 기초참고자료로 유용한 링크가 되겠지요.