별의 진화 — 별은 질량에 따라 어떻게 일생을 마칠까

밤하늘의 별은 늘 그 자리에 그대로 있는 것 같습니다. 그런데 별에도 태어나고 늙고 죽는 일생이 있습니다. 사람의 일생에 견주면 너무 길어서 우리가 그 변화를 볼 수 없을 뿐입니다. 재미있는 것은 별의 운명이 태어날 때 이미 정해진다는 점입니다. 별의 진화를 가르는 것은 단 하나, 질량입니다. 태양만 한 별과 태양보다 훨씬 무거운 별은 전혀 다른 길로 일생을 마칩니다.

성운에서 주계열성까지

별은 우주 공간의 가스와 티끌이 모인 성운에서 태어납니다. 성운에서 밀도가 높은 곳이 제 중력으로 수축하면 중심의 온도가 올라가는데, 이것이 원시별입니다. 원시별은 핵융합이 아니라 중력 수축으로 얻은 열로 빛납니다. 수축이 이어져 중심 온도가 1000만 K 에 이르면 수소 원자핵 넷이 헬륨 원자핵 하나로 합쳐지는 수소 핵융합이 시작됩니다. 이때부터 별은 중심에서 만든 에너지로 빛나고, 안으로 당기는 중력과 밖으로 미는 기체의 압력이 균형을 이뤄 크기가 일정해집니다. 이 단계가 주계열성이고, 태양도 지금 주계열성입니다.

별은 일생의 대부분을 주계열성으로 보냅니다. 그 기간은 질량이 정합니다. 질량이 큰 별은 중심의 온도와 압력이 높아 수소를 훨씬 빨리 태우므로, 연료가 많아도 수명은 오히려 짧습니다. 태양은 주계열성으로 100억 년을 살지만, 태양보다 훨씬 무거운 별은 그보다 훨씬 짧은 시간에 수소를 다 씁니다. 질량이 큰 주계열성이 더 밝고 더 뜨겁고 더 파랗게 보이는 것도 같은 까닭입니다(분광형).

태양만 한 별 — 적색 거성에서 백색 왜성으로

중심의 수소가 바닥나면 핵융합이 멈추고, 중력을 버티던 압력이 사라져 중심부가 수축합니다. 수축하며 중심부의 온도가 오르면 그 바깥의 수소 껍질에서 핵융합이 일어나고, 그 열로 별의 바깥층이 크게 부풀어 오릅니다. 표면은 넓어진 만큼 식어 붉게 보입니다. 이것이 적색 거성입니다. 중심부 온도가 1억 K 에 이르면 헬륨이 탄소로 합쳐지는 헬륨 핵융합이 시작됩니다.

태양만 한 별의 중심부는 탄소 다음 단계를 융합할 만큼 뜨거워지지 못합니다. 헬륨까지 다 쓰고 나면 부풀었던 바깥층이 우주 공간으로 흩어져 행성상 성운이 되고, 가운데에는 핵융합을 멈춘 뜨겁고 작은 중심부만 남습니다. 이것이 백색 왜성입니다. 지구만 한 크기에 태양만 한 질량이 들어 있어 밀도가 매우 크고, 더는 에너지를 만들지 못하니 천천히 식어 갑니다.

무거운 별 — 초신성 폭발과 그 뒤

태양보다 훨씬 무거운 별은 중심부가 더 뜨거워져 헬륨 다음에도 핵융합이 이어집니다. 탄소·산소·규소를 차례로 태우며 바깥층은 더 크게 부풀어 초거성이 됩니다. 핵융합이 한 단계씩 나아갈 때마다 중심에는 더 무거운 원소가 쌓여, 별의 내부는 양파처럼 겹겹이 층을 이룹니다. 그런데 이 사슬은 철에서 끝납니다. 철은 가장 안정한 원자핵이라 융합해도 에너지가 나오지 않습니다(원소의 형성).

중심에 철이 쌓여 에너지가 끊기면 중심부는 한순간에 무너지고, 그 충격으로 별 전체가 초신성 폭발을 일으킵니다. 철보다 무거운 원소들은 이 폭발 속에서 만들어져 우주 공간으로 흩어집니다. 폭발 뒤에 남는 중심부는 질량에 따라 둘로 갈립니다. 양성자와 전자가 눌려 중성자로 이루어진 중성자별이 되거나, 그보다 더 무거우면 중력을 아무것도 버티지 못해 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀이 됩니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 진화 순서를 묻습니다. 태양만 한 별: 성운 → 원시별 → 주계열성 → 적색 거성 → 행성상 성운 → 백색 왜성. 무거운 별: 성운 → 원시별 → 주계열성 → 초거성 → 초신성 → 중성자별 또는 블랙홀.
• 주계열성의 에너지원은 수소 핵융합, 적색 거성 중심부의 에너지원은 헬륨 핵융합. 원시별은 핵융합이 아니라 중력 수축으로 빛납니다.
• 질량이 클수록 주계열성의 광도와 표면 온도는 높고 수명은 짧습니다.
• 별이 일생의 대부분을 보내는 단계는 주계열성입니다.
• 핵융합으로 만들 수 있는 가장 무거운 원소는 철이고, 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발에서 만들어집니다.
• 백색 왜성은 핵융합을 하지 않고 식어 가는 별이고, 중성자별과 블랙홀은 초신성 뒤에 남습니다.

자주 헷갈리는 것

• "무거운 별은 연료가 많으니 오래 산다" — 반대입니다. 무거울수록 중심이 뜨거워 연료를 훨씬 빨리 태우므로 수명이 짧습니다.
• "적색 거성은 뜨거운 별이다" — 중심은 뜨겁지만 표면은 크게 부풀어 오히려 식었습니다. 붉은색이 그 낮은 표면 온도의 증거입니다.
• "모든 별은 초신성 폭발로 끝난다" — 태양만 한 별은 폭발하지 않습니다. 바깥층을 조용히 흘려보내 행성상 성운을 만들고 백색 왜성으로 남습니다.

정리합니다. 별은 성운에서 태어나 수소 핵융합을 하는 주계열성으로 일생의 대부분을 보내고, 중심의 수소가 바닥나면 부풀어 적색 거성이 됩니다. 태양만 한 별은 행성상 성운을 남기고 백색 왜성으로 식어 가며, 훨씬 무거운 별은 철까지 핵융합을 이어 가다 초신성으로 폭발해 중성자별이나 블랙홀을 남깁니다. 이 모든 갈림길을 정하는 것은 별의 질량입니다.