밤하늘에 피어나고 사라지는 별의 탄생과 죽음

[참으로]

밤하늘에 피어나고 사라지는 별의 탄생과 죽음

별이 태어나는 곳은 성간분자운이라 불리는 짙고 차가운 먼지구름 속이다. 이 곳은 지구에서 말하는 진공보다 훨씬 더 비어 있고, 입자들이 아주 성기게 모여 있다. 먼지구름 속에는 검고 짙은 덩어리가 관측되는데, 이것들은 암흑성운 형태를 띠고 있으며 질량도 태양의 수십 배에서 10분의 1정도 되는 것 까지 있다. 이것을 별의 포자라고 한다. 이런 포자들은 차츰 주위의 다른 포자들을 모아 커지면서 태양의 수십 배에서 수백 배의 가스덩어리가 된다. 이 가스의 밀도가 고르지 못하면 진한 쪽으로 몰리게 되고, 중심부에 집중되면 자기 자신의 중력에 의해 수축되기 시작한다. 이것이 원시성이다.

① 우주 공간에 가스가 흩어져 있다가 가장 밀도가 큰 부분으로 모인다.

② 가스가 모여들면 밀도가 높아져 가스 덩어리 중심부의 온도가 올라간다.

③ 회전을 하기 시작한 별의 포자들은 중심부의 온도가 높아지면서 가스가 위 아래로 분출 한다. 이것이 원시성이 탄생하는 과정이다.

④ 원시성은 이 과정을 거친 뒤에 정상적인 별이 된다.

구름이 압축되어 점점 더 조밀해지면 내부의 밀도가 높아져 열이 밖으로 빠져나갈 수 없게 된다. 중심부의 온도가 수백만~수천만 도가 되면 양성자 반응과 같은 원자핵의 반응이 일어나 수축이 멈추고 별이 되는 것이다.

별의 개수

하늘에 떠 있는 별은 70,000,000,000,000,000,000,000개. 호주 국립대 천문학 연구팀은 시드니에서 열린 국제천문학연맹 회의에서 우주 전체의 별의 개수는 700해(垓ㆍ10의 20제곱)개로 관측됐다고 발표했다. 7 뒤에 따라오는 0이 자그마치 22개로, 지구상의 모든 사막과 백사장에 있는 모래알의 개수보다 10배 많은 것이다. 조명이 밝은 도시에서 육안으로 볼 수 있는 별은 100개이고, 지구의 가장 어두운 부분에서조차 5,000개밖에 안 보인다. 연구팀은 최첨단 천체 망원경으로 호주 카나리섬과 뉴사우스 웨일즈 지방의 하늘 일부분에서 보이는 별의 개수를 셌다. 여기에 하늘 전체의 면적과 우주의 폭을 곱해서 추산한 숫자가 700해 개이다. 연구팀의 사이먼 드라이버 박사는 “이 숫자는 현대 과학기술로 관측 가능한 별만을 계산한 것이기 때문에 실제로는 이보다 훨씬 많을 수도 있다”라며 “어쩌면 무한할지도 모른다.”고 말했다.

별의 진화

별도 진화를 하고 죽어간다. 많은 사람들에게 있어 별은 영원의 존재로 믿어져 왔기 때문에 이 말은 낮선 개념으로 여겨질 것이다. 사람의 삶과 비교하면 대개의 별은 영원하게 여겨진다. 그러나 우주적인 시간의 관점에서 보면 별도 역시 진화를 하며 나이를 먹고 결국은 죽는다. 대다수의 질량이 큰 별들은 매우 격렬하며 화려한 삶을 살다 그 생을 마감한다. 좀 질량이 작은 별은 좀 더 평화롭게 죽음을 맞이한다. 초신성 폭발과 같은 하늘에서의 역동적인 현상은 전자의 예를 보여준다. 반면 후자의 예로 행성상 성운의 형성을 들 수 있는데, 이는 수천 년에 걸쳐 별 자신의 껍질을 서서히 쏟아내며 생을 마감한다. 두 사건 모두 초신성 폭발이나 행성상 성운의 형성을 막론하고 결국은 별의 잔해를 남긴다. 초신성폭발의 경우는 그 잔해가 중성자별이나 블랙홀이 된다. 반면 행성상 성운의 방출 후에는 백색왜성이 남게 된다. 백색왜성, 중성자별, 블랙홀 등은 별의 잔해물인 것이다. 그러나 만일 그들이 근처에 새로운 물질을 제공해 줄 수 있는 항성체와 짝을 이루게 된다면 다시 회생할 수 있으며 재 방출을 할 수 있는 상태로 돌아갈 수 있을 것이다.

별은 왜 진화 하는가

별(항성)은 스스로 빛을 내는 가스 상의 구체이다. 별들은 스스로 에너지를 생성하고 이를 우주 공간에 방출한다. 별의 에너지를 생성해내는 연료는 그 자체를 구성하고 있는 수소, 헬륨, 탄소 등이다. 이런 원소들을 태워 좀더 무거운 원소로 바꾸면서 에너지를 얻는다. 여기서 "태운다"는 말은 우리가 통상 나무나 석탄 등을 태울 때 쓰는 화학적 연소(chemical burning)를 의미하는 것이 아니라 원자핵이 좀더 무거운 원소로 변해가는 핵연소(nuclear burning)를 일컫는다. 별들은 나름대로 한정된 크기를 갖기 때문에, 핵연료를 다 쓰고 나면 결국은 에너지가 고갈되게 된다. 핵연료를 써버린다 - 어떤 종류의 원소에서 또 다른 무거운 원소로 바꾸는 이야기는 별이 변화하며 진화해간다는 것을 의미한다. 태양이 우주 공간으로 방출하는 에너지는 태양 내부에서의 핵연소(융합)에 의해 생성된 것이다. 반면 행성이나 달로부터 오는 복사에너지는 스스로 생성한 것이 아니라 태양빛을 반사한 것이다.

별은 어떻게 진화 하는가

별들이 삶을 시작할 때는 대부분 수소나 약간의 헬륨 그리고 아주 적은 양의 무거운 원소(탄소, 질소, 산소 등)로 구성되어 있다. 별들은 뜨거운 중심핵에서 수소 원자를 헬륨 원자로 바꾸면서 에너지를 생성한다. 이러한 과정을 수소 핵융합이라 부른다. 핵융합에 의해 생성되어 방출된 에너지는 별 내부의 온도를 화씨(Fahrenheit) 수백만도로, 또 어떤 때는 수억 도가 되게 가열한다. 별 내부의 이러한 고온 상태는 세 가지 중요한 효과를 나타낸다. 별을 수축시키려는 중력에 대응하는 힘으로서 별 내부에서 충분한 복사압을 나타내 별이 안정적으로 유지되게 한다. 지속적인 핵융합이 일어날 수 있도록 유지한다. 별의 내부로부터 좀 더 온도가 낮은 표층으로의 열(에너지)을 전달함으로써, 별 표면에서 에너지를 방출하게 하여 별이 빛나게 한다.

수소 핵융합

별들은 내부의 핵에서 수소 핵융합을 하기시작하면서 그 일생을 시작한다. 이때 핵 연소의 산물은 헬륨이다. 이처럼 핵에서 수소 핵융합을 하는 별들을 주계열성이라 한다. 태양은 이러한 주계열성의 한 예이다. 백색광의 태양, 태양으로부터 방출되는 대부분의 복사는 소위 무지개 빛의 합인 백색광이다. 검게 보이는 부분은 흑점이다. 태양의 밝기는 100W 전구의 4조의 조배 개가 내는 것과 맞먹는다.(조의 조배는 10의 24승이다.) 이러한 에너지는 태양의 핵에서 수소 핵융합에 의해 생성된 것이다.

헬륨 핵융합

수소 핵융합의 결과, 별에 헬륨의 핵이 형성되면 핵은 수축하면서 좀더 고온이 된다. 결국 헬륨도 점화되어 타기 시작한다. 헬륨이 타면 탄소와 산소가 만들어진다. 헬륨이 별의 중심부에서 타는 동안에도 헬륨핵 주변의 얇은 껍질에서는 수소가 계속해서 탄다. 에너지 생성율은 중심부에서 수소가 탈 때보다 한층 증가한다. 결국 별은 그만큼 더 밝아진다. 별 내부에서 바깥으로 흘러나오는 에너지가 많아짐으로 해서, 수소가 많고 핵융합이 일어나지 않은 별의 외곽은 거대한 크기로 팽창하게 된다. 별의 표층은 다시 온도가 낮아지게 된다. 만일 보통 질량을 갖는 별이라면 적색 거성(red giant)이 되며 좀더 질량이 큰 별이라면 황색이나 적색의 초거성(supergiant)이 된다. 현재 45억년의 나이인 태양은 대략 55억년이 지나면 적색 거성이 될 것이다.

헬륨보다 무거운 원소들의 핵융합

대략 태양 질량의 8배보다 작은 질량을 갖고 탄생한 별들은 그 중심에서 헬륨 핵융합을 끝으로 더 이상의 핵융합을 하지 못한다. 태양 질량의 8배 이상 큰 질량을 갖고 탄생한 별들은 핵에서 헬륨핵 융합을 하고 난 후에도 계속 핵연소를 하게 된다. 헬륨핵이 연소하는 동안 만들어진 탄소와 산소의 핵은 수축하며 열을 방출한다. 결국 핵에서 헬륨은 소진되고 탄소와 산소가 점화되게 된다. 탄소와 산소의 핵연소 결과 네온, 마그네슘, 규소 그리고 황이 만들어 진다. 또한 나중에는 규소와 황이 타기 시작해서 별의 핵에는 철, 니켈 그리고 이들과 원자량이 비슷한 여러 물질들이 만들어지게 된다. 이렇게 되면 별은 마치 양파와 같은 구조를 갖게 된다. 중심핵은 철로 이루어지고, 그 주변은 규소와 황의 껍질로 되어 이들이 핵융합을 하여 중심핵에 철을 계속 공급하게 된다. 또 이 바깥의 껍질에는 좀더 가벼운 원소 -산소, 탄소, 헬륨 그리고 수소의 껍질-들이 핵융합을 하는 그런 구조를 갖게 된다.

행성상 성운의 방출

별의 진화와 그들이 맞는 종국의 양상은 별이 탄생할 때 가지는 물질의 양에 전적으로 의존한다. 초기에 태양 질량의 8배보다 작은 질량을 갖고 탄생한 별들은 행성상 성운을 방출하는 것을 끝으로 그 생을 마감한다. 그리고 그 잔해로 남는 것이 백색왜성이다. 태양 질량의 8배 이상 큰 질량을 갖고 탄생한 별들은 초신성으로 폭발하여 장열하게 삶을 마감한다. 또 이 때 별의 잔해로 남는 것이 중성자별 이거나 블랙홀 이다.

최초로 발견된 행성상 성운은 거문고자리의 환상성운(Ring Nebula)이었다. 1779년 발견자인 Antoine Darguier의 기록에 따르면 "목성과 그 크기가 비슷하고 마치 희미한 행성과 같았다" 고 한다. 행성상 성운이 행성과는 아무런 관련이 없으면서도 이러한 이름이 붙은 연유는 작은 망원경으로 관찰하면 마치 행성과 비슷하게 보였기 때문이다. 고리 성운은 직경이 약 2광년에 좀 못 미치는 거의 구형에 가까운 가스의 껍질로 되어있다. 고리 성운까지의 거리는 약 5500광년이 된다. 중심의 흰색별은 성운을 탄생시킨 원래의 별(progenitor star)이다.

행성상 성운의 형성

초기에 태양 질량의 8배보다 작은 질량을 갖고 탄생한 별들은 그 중심에서 수소핵융합을 마친 후에는 적색거성으로 된다. 중심핵에서 헬륨이 타기 시작하면서 탄소와 산소가 만들어지기 시작한다. 핵 주위의 얇은 껍질에서는 여전히 수소핵융합이 일어난다.

별의 외곽에서 방출된 물질들은 팽창된 가스의 구체 껍질, 즉 행성상 성운을 형성한다. 행성상 성운은 특이한 경우를 제외하고는 전형적으로 태양질량의 약 0.2배 정도의 질량을 가진다. 이들의 팽창 속도는 대체적으로 초속 10-20 마일(시속 35000-70000마일)정도가 되며 서서히 주변의 성간물질(interstellar medium)로 되어간다.

행성상 성운은 중심부에 있는 별에 의해 빛나는 것이며 이는 매우 다양한 형태를 보여준다. 어떤 것은 구형, 나선형(helical) 또 어떤 것은 막대형(bipolar)으로 나타나며 심지어는 매우 불규칙한 모습을 보여주기도 한다. 수만 년이 지나면 이들은 성간물질과 섞여 흩어지게 된다.

행성상 성운의 중심별

젊은 행성상 성운의 중심에 있는 별 - 수소 껍질을 날려 버린 후에 남아있는 - 은 나름대로의 흥미로운 진화과정을 밟게 된다.

① 이러한 별들은 헬륨 핵융합의 결과 생성된 탄소와 산소로 되어있다.

② 질량은 태양정도의 질량을 갖는데, 크기는 지구 정도가 된다. 따라서 이러한 별들은 매우 밀도가 크다. 대략 차 숟가락 하나 정도의 질량이 10에서 100톤 정도가 된다.

③ 행성상 성운 형성의 마지막 단계 또는 그 직후, 중심별에서의 핵 연소는 그치게 된다. 간혹 별 표면의 온도가 화씨 수십 만도가 되는 경우도 있다.

④ 수만 년이 경과하는 동안별은 점차 식어져서 백색왜성이 된다. 여기서 "백색"이라함은 별이 방출하는 색을 의미하고, "왜성"이라함은 그 크기가 작기 때문에 붙여진 것이다.

⑤ 백색왜성은 별이 다 타고 남은 재이다. 대체로 온도가 낮고 희미하며 결국 수억 년이 지나면 비록 그것들이 우리 은하계의 주변에 존재한다 하더라도 거의 관측할 수 없게 된다.

나선형 성운은 태양계에서 가장 가까이 있는 행성상 성운으로 중심에 있는 푸르스름한 별은 이 성운의 모체(progenitor star)로써 점차 식어가면서 백색왜성으로 진화해갈 것이다.

초신성 폭발

태양 질량의 8배 이상 큰 질량을 지니고 탄생한 별은 거대한 초신성(supernovae) 폭발로 그 생을 마감한다.

질량이 큰 진화된 항성의 구조

초신성 폭발을 논의하기 전에 태양질량의 20배가 되는 매우 진화된 별의 구조에 대해 다시 한번 살펴보기로 하자. 이 별의 중심인 철핵의 질량은 태양의 약 1.4배정도 밖에 되지 않지만, 그 크기는 지구크기의 2/3 밖에 되지 않아서 매우 밀도가 크다. 일단 별이 이러한 구조를 지니게 되면 이미 언급했던 핵연소는 서서히 그 치게 된다. 중심핵의 철은 앞서의 헬륨이나 탄소-산소 기타 다른 핵이 했던 핵점화를 더 이상 하지 않게 된다. 그 까닭은 철은 핵연소를 할 수 없기 때문이다.

핵연소 역시(화학적 연소와 마찬가지로) 반응이 에너지를 생성해 낼 수 있을 때 가능하다. 하지만 철이 핵융합 하여 좀더 무거운 원자로 되기 위해서는 에너지의 공급이 있어야 한다. 좀더 무거운 원소를 생성하기 위해서는 폭발이 일어나서 그러한 반응에 필요한 에너지를 공급할 수 있을 때 가능하다. 철이 핵연소를 하지 않는다는 사실은 별의 철 핵의 붕괴(collapse)와 별의 겉껍질의 폭발을 유발한다는 것이다. 이를 세 단계로 나누어 알아보기로 한다.

초신성의 방출

철로 된 핵의 질량이 태양 질량의 1.4배에 가까워지면(철로 된 핵의 바깥 껍질에서 황과 규소가 핵 연소하여 철을 공급), 급격한 변화를 위한 준비가 시작된다.

철로 된 핵의 붕괴

여태까지 바깥을 향하던 복사압과 균형을 이루던 중력이 결정적으로 득세하면서 철로 된 핵이 무너져 내리기 시작한다. 순식간에 철로 된 핵은 그 크기가 5000마일 정도에서 수십 마일 정도로 수축되면서, 엄청난 에너지를 방출한다. 이러한 핵의 붕괴는 매우 빨리 일어나서 별의 외부 층이 이와 반응하거나 참여할 수 있는 시간적 여유를 주지 않는다. 철로 된 핵의 수축 시 방출되는 에너지의 양은 매우 엄청나다. 이때 방출하는 에너지는 태양 정도의 별 100개가 모여 10억년동안 내는 에너지와 맞먹는다. 철로 된 핵의 붕괴 시 방출되는 에너지의 대부분은 포착하기 매우 어려운 중성미자란 입자로 되어 우주 공간으로 빠져나간다. 나머지의 아주 작은 양의 에너지만이 핵 주위 껍질에 축적되어 있다가 초신성 폭발의 도화선이 된다.

외곽 껍질(Envelope)의 폭발

핵을 감싸고 있던 표층부위에 에너지가 축적되면 별의 표면을 향한 굉장한 충격파가 형성된다. 충격파가 별 표면 쪽으로 전파되면서 그 외곽부분이 가열되고 이로 인해 경계부에서는 폭발적인 핵 연소가 일어난다. 그리고 초당 수천마일의 속도(시간당 수천만 마일이상)로 외곽 껍질이 방출된다. 이 과정에서 철보다 무거운 원소들이 만들어 진다. 그리고 충격파가 별 표면에 다다르면, 별 표층은 급격히 가열되고 광도가 증가한다. 하루나 이틀 사이에 별의 밝기는 태양의 수억 배 이상이 된다. 사전에 철로 된 핵의 붕괴 시 방출하는 중성미자를 검출하여, 미리 폭발의 전조를 아는 행운이 따르지 않는 한, 이 때가 멀리 있는 관측자가 초신성 폭발을 알 수 있는 때이다.

초신성(supernova)이 너무나 멀리, 우주 어느 구석에 처박혀 있을지 모르기 때문에, 어느 누구도 전에 본 적이 없다. 따라서 "新(new)"을 의미하는nova라는 용어가 붙어있다. 결국 이러한 사건 후에는 밀도가 큰 별의 잔해와 빠른 가스와 외각창만 남는다. 밀도가 큰 별의 잔해는 중성자별 또는 블랙홀이 된다. 팽창하는 가스의 겉껍질은 주변의 성간 물질 쪽으로 서서히 퍼져 나가다가 결국은 섞여 버리고 만다. 성간 물질의 이러한 구역을 초신성 잔해(supernova remnants)라 한다. 수주 후에는 폭발에 따른 광채는 사라진다. 반면 초신성은 여전히 은하의 먼 거리를 가로질러 수개월에서 수년 동안 빛을 잃지 않고 계속 남아 있게 된다.

대마젤란성운은 약 170,000광년 떨어져 있는 우리은하계에서 가장 가까운 은하에 속해 있다. 이 은하는 막대 모양을 하고 있으며, 별의 수는 우리 은하의 약 1/10 정도가 된다. 이 성운은 남반구에서만 관찰할 수 있다. 우리 은하 너머 외부은하에서 매년 20개 내지 30개의 초신성이 발견된다. 대개는 거리가 너무 멀리 있는 관계로 매우 희미해서, 망원경이 없이는 볼 수 없다.

초신성 잔해(supernova remnant)

초신성에 의해 방출된 기체 껍질은 우주 공간으로 서서히 퍼져나가 성간 물질과 섞여 새로 합성한 중원소들의 함량을 높이면서 소위 초신성 잔해를 형성한다. 초신성 잔해는 수십만 년 동안이나 화려하게 빛나기 때문에, 광학망원경으로 쉽게 볼 수 있다. 한편 X선과 전파를 방출함으로서 전파와 X선 영역에서도 관측할 수 있다.

현재까지 우리 은하에서는 거의 150개 가까운 초신성 잔해가 발견되었고, 외부은하에서도 매년 100여개의 초신성 잔해가 발견되고 있다. 대략 대 여섯 개의 우리 은하속의 초신성 잔해가 역사에 기록되어 있는데, 서기 1572년과 1604년, 그리고 1054년에 기록된 티코의 초신성, 케플러의 초신성이 바로 그것들이다. 그리고 지금으로부터 약 15,000년 전, 2,500광년 거리에 있는 백조자리(Cygnus Loop)에서 초신성이 폭발하였는데 오늘날까지도 폭발에 의한 충격파가 주변의 성간물질들을 밀어내고, 가스들을 가열하여 X선을 방출하고 있다.

별의 잔해

별의 붕괴된(축퇴된) 핵은 일반적인 별이 아니다. 그것은 중성자별이거나 블랙홀이다. 종이 한 장에 블랙홀, 중성자별, 백색왜성, 태양 그리고 적색거성의 상대적 크기를 한꺼번에 표현하기는 어렵다. 그들의 크기의 차가 너무 크기 때문이다. 만일 태양 질량의 세배되는 블랙홀의 반지름(사상의 지평선)을 1인치의 1/64 정도의 점으로 표시한다면, 태양질량의 1.4배되는 중성자별은 이보다 약간 크게 표시될 것이다. 하지만 백색왜성의 크기는 1피트가 되고, 태양은 38 야드, 베털지우스 같은 초거성은 그 반지름이 22마일이 되어야 할 것이다. 이 천체들의 실제 크기 범위는 10 마일 크기의 블랙홀에서 875,000,000 마일 크기의 베텔지우스까지 엄청난 차이를 보인다.

백색왜성, 중성자별 그리고 블랙홀의 소생(Rejuvenation)

고립된 백색왜성이나 중성자별은 일단 생성된 후에는 냉각되고 희미해지면서 결국은 보이지 않게 된다. 블랙홀은 좀 다른데, 그 까닭은 아무것도 빠져나올 수 없기 때문에 처음부터 보이지 않기 때문이다. 이러한 죽은 별의 재들 - 백색왜성, 중성자별 그리고 블랙홀 - 도 그 주변의 물질과는 상호작용을 하게 된다. 이들은 근처의 모든 물질에 큰 중력으로 인한 강한 흡인력을 미치게 된다. 이러한 흡인력은 그들을 잠시 동안이지만 "소생(회춘)"시킬 수 있어 방출을 새로 일으키거나 광도를 변화시킨다.

소생(Rejuvenation)

백색왜성, 중성자별 그리고 블랙홀이 소생하기 위해서는 별을 구성하는 물질의 수송이 필요하다. 백색왜성이나 중성자별 또는 블랙홀 주위에 특별히 수소가 많은 껍질을 가진 동반성이 존재하여 이 동반성의 물질이 고밀도의 별에 유입되어야 한다. 물질 유입의 자세한 과정은 매우 복잡하고 또한 다양한 요소에 의존한다. 이러한 요소에는 두 별사이의 거리라든가, 질량, 동반성 외곽의 확장 정도, 자기장의 존재 그리고 주성이 백색왜성인가 아니면 중성자별 혹은 블랙홀이냐 하는 것 등이 포함된다.

붙은 가스 원반(Accretion Disk)

대체로 많은 물질을 교환하는 계(System)들이 갖는 특징 중에는 고밀도 별 주변의 붙은 가스 원반의 생성하는 경우가 있다. 반성에서 끌려나온 물질이 고밀도별로 바로 떨어지지 않고 대신 고밀도 별 주위를 선회하면서 붙은 가스 원반을 형성한다. 그리고 마찰로 인해 물질의 궤도운동이 느려지고, 이로 인해 물질이 원반을 통해 고밀도별 표면으로 나선운동을 하며 떨어진다. 회전을 하며 고밀도별로 떨어지는 물질은 많은 양의 중력에너지와 열을 원반에 내놓는다. 그리고 물질이 고밀도별의 표면과 충돌하는 순간 나머지 열과 에너지를 별 표면에 방출하며, 어느 순간 핵연소가 다시 시작할 수 있도록 만든다. 표면이 없는 블랙홀의 경우에는 원반만 가열하게 된다.

전형적인 신성(Classical Novae)

전형적인 신성의 폭발 - 주로 간단히 신성이라고 일컫는 - 은 백색왜성의 표면 폭발로부터 생긴다. 이것은 초신성의 경우와는 달리 별의 핵과는 관련이 없다. 전형적인 신성의 폭발은 다음과 같이 일어난다.

① 주로 탄소나 산소와 같이 수소보다 무거운 원소로 구성되어 있는 백색왜성이 가까이 있는 반성으로부터 수소가 풍부한 물질을 공급받아 커진다.

② 유입되는 물질은 백색왜성에 휘몰아쳐 떨어지기 전에, 백색왜성 주변에 있는 첨가된 원반(accretion disk)을 통과하게 된다.

③ 반성으로부터 백색왜성으로 물질이 이동하는 것은 다음과 같은 연속적인 결과이다.

④ 새로운 물질이 반성으로부터 첨가된 원반의 가장자리에 도달한다. 백색왜성에 첨가된다.

⑤ 대략 태양질량 1/100,000 정도의 수소가 풍부한 물질이 첨가될 때, 이들 물질의 온도와 밀도는 매우 높아져서, 핵폭발을 유발하여, 백색왜성의 표층을 대략 초당 500마일(시간당 200만 마일) 이상의 속도로 방출하게 만든다. 이러한 폭발과 방출은 엄청난 광도의 증가를 수반한다. 따라서 신성(nova)이 "새별"이라는 의미를 갖는 것이다.(즉 그동안 보이지 않던 별이 보이게 된다는 뜻이다)

⑥ 최대 밝기는 단지 수일 동안만 지속될 뿐이다. 곧 별은 서서히 흐려지고 수개월이 지나면 폭발하기 전의 수준으로 되돌아간다. 그리고 또 다시 신성의 분출이 일어날 때까지 물질의 이동과 첨가는 반복된다. 분출과 다음 분출 사이의 전형적인 시간 간격은 수천년이다. 동반성이 수소가 풍부한 새로운 물질을 계속 공급해 줄 수 있는 한, 백색 왜성의 분출은 반복될 것이다.

왜신성(dwarf nova)

전형적인 신성과 마찬가지로 왜신성 역시 근접한 반성으로부터 수소가 풍부한 물질을 공급받아 백색왜성이 갑자기 밝아진 것이다. 하지만 전형적인 신성과 같은 폭발적인 핵 연소가 에너지원이 되는 것이 아니라, 중력에너지의 방출이 에너지원이 된다.

블랙홀의 후보자들

고립된 블랙홀은 빛뿐만 아니라 어떤 것도 빠져나올 수 없기 때문에 보이지 않는다. 만일 블랙홀이 인접한 동반성으로부터 물질을 끌어들여 커진다면, 블랙홀 주변의 첨가된 원반에서 빛이 방출되게 되고 이것이 블랙홀이 존재한다는 단서가 될 것이다. 블랙홀 주변에서 방출되는 복사와 중성자별에서 나오는 복사를 혼동하지 않도록 유의해야 한다. 둘의 구분은 매우 어려운데 그 까닭은 이러한 천체들이 매우 먼 거리에 있고, 방출하는 빛이 매우 희미하기 때문이다. 게다가 우리의 관측에 대한 해석 자체도 아직 충분히 검증되지 않은 이론에 근거하기 때문이다. 어떤 천체가 블랙홀일 것이라고 판단할 수 있는 세 가지 특징을 나열하여 보면,

① X선원 쌍성계가 블랙홀을 포함하고 있다는 것을 규명하는 가장 신뢰할 만한 방법은 고밀도의 별(compact star)의 질량을 측정하는 것이다. 하지만 이것은 두 별사이의 거리라던가 공전주기, 시선 방향에 대한 경사각 및 반성의 질량 등 아직 확실하게 집어낼 수 없는 여러 가지 쌍성계의 변수를 알아야만 한다.

② 만일 고밀도별의 질량이 대략 태양 질량의 3배 또는 그 이상이라고 판명된다면 그 고밀도별은 거의 확실하게 블랙홀이라고 볼 수 있다. 만일 그 이하라면 중성자별일 것이다.

③ 블랙홀은 중성자별보다 더 깊은 중력 포텔셜을 갖고, 이를 향해 떨어지는 물질은 중성자별과는 비교할 수 없는 고온의 부착 원반(accretion disk)을 형성하게 된다. 따라서 과학자들은 블랙홀로부터 방출되는 복사는 고 에너지의 X선이던가 감마선일 것으로 예상하고 있다.

④ X선 쌍성 계에서 나오는 X선 속(X-ray flux)은 1/1,000초 정도의 시간 간격으로 불규칙하게 깜박거린다. 이러한 깜박거림은 중성자별로 알려져 있는 고밀도별에서는 찾아보기 힘들다. 이는 블랙홀 주변에 있는 부착원반의 안쪽 구역에서나 나오는 것이다.

천문학자들은 앞에서 언급한 한두 개의 증거들을 충족시키는 X선 쌍성 계를 발견하였다. 이러한 쌍성 계들은 비록 현재로서는 확신할 수 없다손 치더라도 블랙홀을 지니고 있는 것으로 짐작된다. 따라서 이들을 블랙홀의 후보자(black hole candidates)라고 부르고 있는 것이다.

별의 죽음

100억년에서 150억 년 전, 우주가 막 생겨났을 즈음에는, 수소, 헬륨 그리고 극소량의 리튬과 베릴리움, 보론 만이 존재했었다. 이보다 더 무거운 원소는 존재하지 않았었다. 초기에 존재하던 원소 이외의 중원소들은 별 내부의 핵 연소에 의해 생성되었다. 수소의 핵 연소 결과 헬륨을 만들었고, 헬륨은 탄소와 산소, 또 이들은 더 무거운 원소를 거듭하여 만들어 냈다. 한 원소의 핵 연소의 재는 연속적인 핵 연소의 연료가 되었다. 별들이 자신의 핵연료를 다 소모하고 나면 죽고 만다. 보통의 질량을 갖는 별들은 행성상 성운을 만든다. 좀더 질량이 큰 별들은 초신성으로 폭발한다. 새로이 합성된 중원소들(heavy elements)은 공간으로 방출되어 주변의 성간물질과 섞여버리고 만다.

이러한 물질 - 별 사이의 가스와 티끌 - 들은 새로운 세대의 별을 형성하는 재료로 쓰인다. 한 세대에 의하여 합성된 중원소들은 새로운 세대의 별을 형성하는 재료물질이 된다. 새로 탄생한 별들 역시 좀더 무거운 원소를 만들고는 결국 다시 성간 물질로 되돌아간다. 이처럼 별의 죽음과 탄생의 순환은 지속된다. 우리의 몸을 구성하고 있는 탄소, 우리가 호흡하는 산소, 지각의 규소, 산업 현장에서 쓰는 금속들, 이 모두가 별의 내부에서 만들어진 것들이다. 별의 찌꺼기가 우리와 우리 주변의 모든 것을 만든 재료인 것이다.