[스크랩] 별의 일생 II 탄생의 순간

 

                    별의   일생     II - 탄생의 순간

 

 

 

 

 

 

       생명의    달콤한  입맞춤                                                                     사진제공  NASA/CXC

창조의 기둥으로 불리는  이 유명한 사진은

독수리 성운 안에  새로 태어난 별에서 나온  강렬한 빛이  먼지와 기체를  증발시키면서

별을 품은 알 Eggs (evaporating gaseous globules)들이  기둥 끝에서  하나하나 자신을  드러내고 있다.

 

 

 

엄청난 양의  에너지와 물질을

폭발적으로  뿜어냈던   태초의 우주는

영겁의 세월이  흐르는 동안    그 어떤 구조물도 없이  정적만이 감돌았다.

 

은하도,  행성도,  생명도   찾아볼 수 없었다.

빛으로  뚫고 들어갈 수 없는  칠흑의 심연만이   그 당시의 우주를  지배했다.

간혹  수소 원자들만   이 차가운  텅 빈 공간에서  주인 행세를 하면서  떠돌아다녔다.

 

 

그렇게  끝없는  시간이 흐르자

조금씩  주위보다  밀도가  약간  높은 지역들이

눈에 띄지 않게  느린 속도로   천천히  자라나기 시작한다.

 

이슬이  맺히듯

최종 질량이  태양보다 큰 기체 덩어리들이   방울방울  모이기 시작한 것이다.

 

이렇게 커진  기체 덩어리들이  뭉쳐지기 시작하자

밀도가 높아진  분자운(分子雲)은   여러 덩어리로  분열되고  각 덩어리는  별도로  수축이 진행된다.

 

수축이  진행될수록

성운(星雲)의 중심온도는  더욱 올라가고

각 덩어리는   더 작은 덩어리로  분열을 계속한다.

 

분열된 덩어리들이

제각각 수축을  계속하고

마침내  중심온도가  400만도를  넘어서게 되자,

드디어  그 덩어리들 안에서

물질 자체에  숨어 있던  에너지에  빛을 발하는   핵융합 반응이  시작되었다!

 

수소를  이용하여

자신의 생명을  잉태하였으며

그렇게 태어난  생명체가

우리가  알고 있는 모든 것들,

생명뿐 아니라  우주에 있는  그 모든 것들을  만들기 시작한 것이다!

 

 

 

       별들의 요람                        사진제공  NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI / AURA)

소마젤란은하 안의  NGC 602 성운이다.

500만 년 전에 태어난  젊은 별들이   자신들의 요람인  성운을   아름답게 비추고 있다.

 

 

 

       소용돌이치는  별들의 풍경                                                             사진제공  NASA/JPL-Caltech

스피처 적외선망원경으로 본   북아메리카성운이다.

가시광선으로 보면  북미 지역과 유사하지만,

적외선은  눈에 보이지 않으므로   파장대에 따라  다른 색상으로 나타나면서  대륙이 사라졌다.

 

 

 

       오리온성운                           사진제공  NASA/Jesús Vargas (Astrogades) & Maritxu Poyal (Maritxu)

M42으로 알려진  오리온성운은   육안으로도 볼 수 있을 정도로  밝게 빛난다.

오리온성운의  바로 뒤에는   밀도가 높은  수소가   분자상태로 존재하는  분자운(分子雲)이 있고,

100개에 가까운  고온의 조기성(早期星)을  포함하고 있다.

이들은  성운가스에서 발생한 것으로   현재도  별이 탄생하고 있음이  관측된다.

오리온 성운은   약 1만 년밖에 안된  매우 젊은 천체로,   거리는 약 1,500광년  떨어져 있다.

 

 

 

       가오리 혹은  몬스터?                                           사진제공  NASA/Geert Barentsen & Jorick Vink

발광성운으로  둘러싸여 있는   산개성단 open cluster IC 1396의 형상.,

우측 옆구리에  뱀 형상의  노란 불빛이   코끼리코 성운으로,

최근에  100개가 넘는  젊은 별들이   이 성운에서  자라고 있는 것이  발견되었다.

이 성운에는  밀도가 매우 높은  먼지와 가스로 뭉쳐있는   혜성형 구상체 cometary globule가 있다.

 

 

 

       북아메리카성운과   펠리칸성운                                                      사진제공  NASA/Martin Pugh

왼쪽이 NGC 7000인  북미성운이며,   오른쪽이 IC 5070인  펠리칸성운이다

두 성운을  구별해주는  주변에 검게 보이는 것이  암흑성운으로   어두운 먼지로 이뤄진  분자운이다.

 

 

 

별 에너지의 근원은   수소의  핵융합 반응이다.

수소의 원자핵은  어떻게  헬륨의 원자핵으로  융합되는가?

 

 

수소 핵융합과정 중에 하나는

양성자-양성자 연쇄 반응이다.

 

이 반응은  중심온도가  1000만~ 1500만K 범위에 있는  태양과 같이 

가벼운 별에서  주로 일어나는데   3가지 과정을 거쳐  헬륨의 원자핵이  만들어진다.

 

수소에 있는  각기 다른  두 개의 양성자가

가까이 접근하면   전기적 반발력으로  서로를 밀어내지만

전자기력을  넘어설 정도로  압력과 온도가  충분히 높아지면

양성자들이  강한 핵력이 작용할 정도로  원자핵의 크기까지  접근할 수 있어   양성자를 결합시킨다.

강력(强力)은  전자기력에 비해   약 100배나  강한 힘이다.

 

 

전기적 반발력을  극복하는  또 다른 방법은

두 양성자 중 하나가  전하를 잃고   중성자가 되는 것이다.

 

중성자와 양성자 사이에는   전기적 반발력이  작용하지 않는다.

양성자는  자발적으로  중성자로  변환되지 않지만

-중성자는 양성자 보다  질량이 더 크다-   에너지가  더해지면  가능해진다.

하지만  이 과정은   약력(弱力)에 의존하므로  매우 느리게 일어난다.

 

양성자가  중성자로 전환될 때   양전자(e+,positron)와  중성미자(νe)가 방출된다.

-양전자는  전하의 부호만  반대인 반입자이고,   중성미자는  전하가 없고  질량이 거의 0인 입자이다.

 

여기서 생긴  중성미자 (νe)는   태양을 빠져나가고,

양전자는  전자와 쌍소멸하면서   감마선(γ) 형태로  빛을 방출한다.

 

 

이렇게 결합된  중수소핵(2H)은

다른 수소의  원자핵과  융합하여

헬륨의  가벼운 동위원소인   헬륨-3(3He)을  형성하고

감마선 광자(γ)의 형태로   에너지를 방출한다.

 

여기서 생긴  헬륨-3(3He)로부터   헬륨-4(4He)가  만들어진다.

 

 

 

       SOHO 위성이  촬영한   우리의 별                                                                 사진제공  NASA

 

 

태양 질량의  2배 이상,

중심온도가  2000만 K 이상인 별에서는   CNO 순환반응이 일어난다.

이 과정은  탄소(C), 질소(N), 산소(O) 핵이  반응을 매개하는  촉매작용을 한다.

이 정도의 고온에서는   C, N, O와 같이  무거운 핵들도  서로 반응할 수 있을 만큼   충분히 빠르게  움직이기 때문이다.

 

결국  별은  질량이 클수록 밝지만  수명은 짧아진다.

예를 들어   별의 질량이  2배로 커지면

밝기는  거의 10배 가까이  밝아지지만   수명은  1/10 수준으로  줄어든다.

 

 

 

핵융합반응의 결과로  생성된  원자핵 질량의 합은

충돌하기 전의  2개의 원자핵 질량의  합에 비하여   근소하게 적어져 있다.

 

양성자-양성자 연쇄반응의 결과로  생성된  헬륨-4 원자핵과

반응에 사용된   수소 양성자 4개의 질량을  비교해보면

수소 네 개의 질량이   헬륨  하나의 질량보다  약간 크다.

 

수소 네 개가 모여서   헬륨 한 개가 만들어질 때   0.7% 정도의 질량이  사라지는데,

이 결손 질량은   아인슈타인의 등가 원리에 따라서   에너지로 변환된다.

즉  이 질량결손  Δm에 상당하는  에너지가   빛과 열로  방출되는 것이다.

 

 

여기서 잠시  위대한 천재의 모습을  보기로 하자.

아인슈타인의  유명한 공식  E=mc2는

질량-에너지  동등성(mass-energy equivalence)으로

모든 질량은  그에 상당하는  에너지를 가지고   그  역 또한  성립한다는  개념이다.

여기서 E는  에너지를 나타내고  m은 질량   그리고 c2은   빛의 속도를 제곱한 양이다.

 

E와 m은  존재의  두 가지 형식으로,

에너지는  물질을  해방시켜주고

물질은  준비된 상태로  기다리는 에너지라는 뜻이다.

 

빛의 속도를 제곱한 c2은   엄청나게  크기 때문에

이 식에 따르면   물질에 갇혀 있는  에너지의 양은  그야말로 엄청나다.

-평균체격을 가진  성인이  몸속에  대형 수소폭탄  30개 정도가 터질 때의   에너지를  보유하고 있다.

 

 

이로써 우리는  우라늄 덩어리가  엄청난 에너지를  일정한 속도로  방출할 수 있는지도,

그리고  별들이 수십억 년 동안  불타면서도   연료가  바닥나지 않는 이유도  알게 되었다.

 

 

 

방출되는 에너지는   얼마나 될까?

 

수소 1kg이  헬륨으로 전환되면  6x1014J의  에너지가 나온다.

우리의 태양은  매초 3.9×1026J에 해당하는  에너지를   우주공간으로 방출한다.

이는  1메가톤급 핵폭탄   약 천억 개의 폭발력에 해당하는  엄청난 에너지로

이 에너지는   매초 6억 톤의 수소를  헬륨으로 전환하면  얻어진다.

 

 

 

그러면 태양은   얼마나 오래 탈 수 있을까?

 

만약 태양의 질량  2×1030kg이

모두  헬륨으로 전환된다고 하면   약 1000억년이 걸린다.

그러나 태양의 온도는  바깥층으로 갈수록  떨어지므로

태양이 가지고 있는  모든 수소를   핵융합의 연료로  사용할 수가 없다.

 

태양이  핵융합으로  태울 수 있는 부분은

중심 주위,  태양질량의  1/10 정도 되는 양이다.

따라서  태양의 수명은   약 100억년이 된다.

 

 

 

       별들의 요람   Rho Ophiuchi                                         사진제공  NASA/JPL-Caltech, WISE Team

광역 적외선탐사망원경으로  촬영.

성운들이  지구에서 가장 가까운  별들의 요람 Rho Ophiuchi를  아름답게 채색하고 있다.

중앙에 밝은 흰색이  발광 성운이며

오른쪽 아래의 별  Sigma Scorpii를  감싸고 있는  붉은 빛을 내는  반사성운과

곳곳에  어두운 부분이 암흑성운으로   배후의 별빛이나  발광가스를  흡수하여  검게 보인다.

감마선에서 전파에 이르기까지   모든 파장의 빛을  방출하기 때문에   사람이 볼 수 있는 색채보다  훨씬 더  다채롭다.

 

 

 

       보석보다  더 눈부신  팩맨성운                  사진제공  NASA/CXC/CfA/S.Wolk; IR: NASA/JPL/CfA/S.Wolk

NGC 281은  활발한  별 탄생 지역이다.

중앙에  가장  밝은 별에서 나온 빛이   성운의 기체들이  쉽게 이온화될 수 있도록  도와주기 때문에,

전체적으로  붉은 빛을 띤다.    지구에서 9,200광년 떨어져있다.

팩맨 캐릭터의 "입"은   별들의 고향으로

먼지와 가스로  어둡게 보이지만   스피처 적외선망원경으로 촬영하여  밝게 반짝 거린다.

 

 

 

       라군성운 M8                                                                                        사진제공  NASA

새로 태어난 별들이   밝게 빛나고 있고

아직 알에서  깨어나지 않은   미래의 별들이   자신을  드러낼 때를  기다리고 있다.

가스와 성간 먼지들로 인해   성운이 마치  물결치는 호수를  연상시킨다.    호수의 폭은  거의 3광년에 걸쳐서  펼쳐져 있다.

 

 

 

       행운을 불러오는  성운                                              사진제공  NASA/CXC/Penn State/L. Townsley

7,500광년 거리에 있는  은하수 은하의  팔에 위치한   별의 보금자리이다.

용골자리성운 Carina Nebula은  발광 성운으로   맨눈으로 볼 수 있을 정도로  무척 밝은 성운이다.

우리 은하에서  가장 큰 성운이며   이 별을 보고 있으면  행운이 온다고 한다.    찬드라의 X-레이 위성이 촬영

 

 

 

       아름답게 채색된  천체                                                                    사진제공  Neil Fleming

태어난 지 얼마 안 된  젊은 별들과  먼지와 가스 기둥이   NGC 7822에 밀집되어 있다.

화려한 천체의  성운 안에서   밝은 지역과 어두운 암흑운이  명멸한다.

핵융합의 불이 붙어   스스로  빛나는 별이 된다.

하나의  거대 분자운에서   수많은 별이  한꺼번에  태어나는 것이다.

사진은  산소의 푸른색,  수소의 초록색,  그리고 유황의 붉은색을   광대역과 협대역 필터를 사용하여  촬영

 

 

 

       동굴 속  샛별들                                         사진제공  NASA/JPL-Caltech, ori Allen, Xavier Koenig

빨간 석류처럼 보이는  동굴 속 깊은 곳에서   별들이 태어나고 있다.    스피처 적외선 우주망원경 촬영.

동굴 가운데 보이는  파랗게 보이는 큰 별들은   먼저 태어난 별이고,

동굴 벽을 따라  석순처럼 뻗은  기둥 끝에 보이는  분홍색 별들은   적외선으로만 보이는  아직 어린 별이다.

밝고 흰 부분과  녹색으로 보이는 구름은   고밀도의 가스와 먼지들이 모여   별 생성이 한창인 곳이다.

 

 

 

       우주의 어둠을 밝히는  가장 큰 별                                 사진제공  NASA, ESA, and J. Maíz Apellániz

중앙에서  가장 밝게 빛나는  별이  Pismis 24-1

태양 200-300개가  모인 정도의  질량을 갖고 있을 정도로   지금까지 발견된 별들 중에서도   가장 질량이 큰 별에 속한다.

작은 산개성단  Pismis 24은   지구에서 약 8,000광년 거리의  전갈자리에 있는   NGC 6357 성운의  중심에 자리잡고 있다.

 

 

 

       별은  어디에서 태어날까?                                사진제공  NASA, ESA, A. Nota (ESA/STScI) et al.

가운데에  고밀도의 먼지와 가스로 뭉친  탯줄이   별과 연결되어 있다.

이 가스 성운은   별들의 자궁이랄 수 있는   성간운에 있던  기체 찌꺼기로서

어머니 성간운과  신생아 별이   아직도 중력의 끈으로  묶여 있음을 보여 준다.

소마젤란성운의  중심부에 위치한  NGC346 성단을   허블 우주망원경이  별의 탄생순간을  촬영.

 

 

 

별들은  성간운(星間雲)에서

수십-수백 개씩  무리를 이뤄  태어난다.

성간은  밀도가 희박하여

가스와 먼지들이  자체 중력으로  뭉치기 시작하려면   태양 질량의  수백-수천 배가 필요하다.

 

엄청난 양의  가스와 먼지가  수축하면서

군데군데  부분적으로   밀도가  아주 높아진 부분이 생기게 되고 

시간이 흘러   생명이 탄생할 때가 되면

많은 별이   동시다발적으로   태어나게 된다. 

이곳이   별들의 요람이며   그들의 고향이다.

 

 

이렇게  제1세대의 별들이  태어나자

우주는  비로소  온통  빛으로  넘쳐나게 됐다.

 

 

 

출처 : 블랙러샨

글쓴이 : 블랙러샨 원글보기

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