[스크랩] 별의 일생 IV 장엄한 종말

                    별의   일생     IV 장엄한 종말

 

 

 

 

 

 

       별들의 눈에  비친  우리의  삶은?                                                     사진제공  Masahiro Miyasaka

중앙에  베텔기우스와   그 아래에  오리온의 별들이  보인다.

베텔기우스는  적색초거성으로   언젠가는  폭발하여  초신성이 될 것이다.

그런 날이 온다면   이 별은  대낮에도  환하게 보일 것이며,   밤에는  달보다  더 밝게  빛날 것이다.

왼쪽은  밤하늘에  가장 빛나는 별인  큰개자리 시리우스며,   이 별의 동반성이  고밀도로 이루어진  백색왜성이다.

 

 

 

 

별들의 눈에  비친   우리의 삶은  어떻게 보일까?

 

 

별들의 일생에  비하면

지구에서 살고 있는  모든 생명체는   하루살이에  불과하다.

인간 수명이  기껏해야 백 년 정도인 데  비하여,   태양의 수명은  인간의  수억 배나 된다.

 

그러나  별들도  언제인가는

우리 인간들처럼  태어나서  성장하고,   결국  죽음이라는  운명을  맞게될 것이다.

 

 

별은  생의 대부분을   불꽃같은  삶을 보낸다.

 

그렇다고  수소  핵융합 반응이   영원히  지속될 수는 없다.

별의  핵융합 반응은   고온 고압의  중심부 일부에서만  일어나는데

핵반응의 연료로  사용할 수 있는  수소가   그 지역에  한없이 많은 것은  아니기 때문이다.

 

 

그러므로  별의  마지막 모습은

그 별이  얼마나 큰 질량을  갖고  태어났느냐에 따라  결정된다.

 

태양 질량의  0.08배 보다  작게 태어난  미숙아 별들은

별 내부에서  수소 핵융합 반응이  일어나기에  충분할 정도의   중력에너지를  모을 수가 없어

약간의 열과  빛을 내면서  급속히 냉각하는데   이것이  갈색왜성 (褐色矮星 brown dwarf)이다.

 

 

 

       차가운  갈색왜성                                                         사진제공  NASA, JPL-Caltech, WISE

WISE  1828+2650이  태양에서  40광년 떨어진   거문고자리 방향에  자리를 잡고 있다.

많은 갈색왜성들이  섭씨 1400도 정도의  표면온도를  갖는데 비해서

이 왜성은  대략  실내온도정도로   현재까지 알려진  별들 중에서   가장 차가운  갈색왜성이다.

 

 

 

 

보통의 별들은   태양 같은  종말을 맞는다.

태양의 마지막은   그 자체만으로도  충분히 극적이다.

 

앞으로  50억 또는  60억 년이  더 지나면

태양의 중심에 있던  수소가   모두  헬륨으로  변하게 되므로

중심핵 부분에서는   수소의 고갈로  핵융합 반응을  더 이상  기대할 수 없다.

 

 

 

이때부터  태양은  장엄한 종말을  맞을 준비를 하게 된다.

 

태양의  중심핵에서는

핵융합 반응으로   헬륨으로  가득 차 있는데

중심핵  바로 바깥에는   수소가  그대로 남아 있다.

 

따라서  수소 핵융합 반응이  일어나는 지역이

중심핵  경계 지대에서부터   온도가 1000만 도가  되는 층까지  확장된다.

그러나  온도가  1000만 도가  안 되는 층과  표면 사이에서는   핵융합이  일어나지는 않는다.

 

 

한편  헬륨으로 구성된  중심핵은

헬륨  핵융합 반응을  일으키기에는   충분한 조건을  갖추지 못해서

태양 중력을  견디지 못하고   다시  수축하게 된다.

수축이 진행될수록   중심핵의  온도와 밀도가  지속적으로 상승한다.

 

온도와 밀도가  상승하면서

헬륨  원자들 사이의  간격이 좁아지고

핵력이 작용할 정도로  밀착하게 되면   드디어  헬륨의 핵융합 반응이  시작된다.

 

 

수소를  태우고 남은

폐기물에 불과했던  헬륨에   다시 불이  붙는 것이다.

이렇게 해서  핵융합 반응의 잔치가   태양의  중심핵 부분에서  또 한 차례  벌어진다.

 

이제는  모든 것이  끝나버린 것 같은

꺼져가는  용광로에   새로  뜨거운 불길이  타오르기 시작한다.

 

 

태양은  새 연료인  헬륨을 태워서

추가로  에너지를 얻는 동시에   탄소와 산소를  헬륨에서  합성해 낸다.

이 상황에 이른  태양은   핵반응로의 불을  두 군데에  지펴 놓은  형국이다.

 

중앙에서  멀리 떨어져

상대적으로  저온 상태에 있는

바깥의  얇은 껍질에서는  수소가 타고

고온 상태에 있는  한복판에서는   헬륨이  연소 중이니,

태양은  이 단계에서   그 내부 구조에  큰 변혁을  겪지 않을 수  없을 것이다.

 

 

별의 외피가  크게 가열하게 되면  팽창하게 된다.

별의 팽창은  표면온도를  떨어뜨려   별은  붉은색을  띠게 된다.

 

태양은  이제   적색거성 (赤色巨星 red giant star)이  된다.

 

-태양이  적색거성이 되면

수성과 금성을  집어삼키고   결국에는  지구까지  불덩이에  빠져 들어갈 것이다.

그전에 우리 후손들은    새로운  보금자리를 찾아   정착할 준비를  하여야 한다.

물론  50억 년이나  60억 년 후의   이야기다.

 

 

 

       적색 거성  Betelgeuse                                                       사진제공  Rogelio Bernal Andreo

중앙에  오리온대성운 Great Orion Nebula,   왼쪽 아래에  말머리성운과   적색초거성  베텔기우스가 보인다.

 

 

 

       적색거성  잔해                      사진제공  NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

IC 418은  약 2000광년  거리에 있으며   크기는  0.3광년이다.

수천 년 전에  적색거성이  폭발 후   자신의 일부였던  외각에서  흩어져 나온  기체들을  전리시켜   밝게 비추고 있다.

지금은 중앙에  흰 이미지의  백색왜성으로  남아있지만,   몇 백만 년 전만 해도  태양과 같은  친숙한 별이었을 것이다.

 

 

 

 

태양이라고   자신이 만든  재를   영원히  재활용할 수는 없다.

언젠가  태양 중심핵이   완전히  탄소와 산소로  채워지는 때가 온다.

 

이 시기가 되면   핵융합 반응이   더 이상  진행되지 않는다.

태양 내부의  온도와 압력이   탄소나 산소를 가지고   다음 단계의  핵반응을  유발시킬 수준에   이를 수 없기  때문이다.

 

 

중앙 핵반응로의  헬륨연료가   거의  소진될 즈음

태양 중심부는   그동안 미뤄 오던   중력 수축을  재개하게 된다.

 

수축은  온도의 상승을  불러와서

마지막 단계의  핵융합 반응을   한 차례  더 일으키고   대기층은  약간 팽창한다.

 

가시광선으로  드러나는  태양 표면이

중심으로부터   아주 멀리  떨어져 있기 때문에

외각부(外殼部)에서 느끼는  중력은   미약하기  이를 데 없다.

 

 

대략  1000년을  주기로   팽창과 수축을  느리게 반복하다가

자신의 대기층을  몇 개의 구각(球殼)으로  나누어   우주공간으로  내뱉어 버린다.

 

외각층을 잃고   뜨거운 내부가  노출된  태양은

한때  자신의 피부였으나   지금은 벗겨져  멀리 떨어져 나간  수소 기체에

강력한 자외선을  퍼부어   거기에서  밝은 형광선이  방출되도록  유도한다.

태양이 가졌던  초기 질량의  거의 반이   이런 식으로  성간 공간에  흩어진다.

 

 

그리고  태양계의  외곽 지역에는

태양에서  떨어져 나간   태양의 허물이  떠다니고  있을 것이다.

우리는 이들을   행성상 성운 (行星狀星雲, planetary nebula)이라고  부른다.

 

 

 

     고리성운  Shapley 1                                                                                   사진제공  ESO

핵 연료를  모두 소진한  별은   중심이  응축되어   백색왜성이 되고   외피를  우주로  날려 보낸다.

이렇게 날아간  기체와 먼지 등이   한 몸이었던  별을 감싸면서   고리모양을  하고 있다.

 

 

 

       매혹적인   고양이눈 성운                       사진제공  NASA, ESA, HEIC, and The Hubble Heritage Team

우주를  응시하는   고양이눈 성운 The Cat's Eye Nebula인   NGC 6543은

전형적인  행성상 성운으로,   영광스런  생의 마지막 모습이   우리에게  신비스럽게  다가온다.

성운의  가운데에   외피를  모두 날려 버리고   백색왜성이  자리 잡고 있다.

그러나  영롱하게 빛나는  모습과는 달리,   내부의  매우 복잡한 구조는   아직 정확히  밝혀지지 않고 있다.

 

 

 

       개미성운  Mz3                         사진제공  R. Sahai (JPL) et al., Hubble Heritage Team, ESA, NASA

이  한 장의 사진은   얼마 전까지  예상했던   별들의  마지막 모습보다 

훨씬 더  흥미롭고  복잡하며  충격적인  최후를  맞게 된다는 점을   생생하게  보여주고 있다.

생을 마치면서  쏟아낸  잔해물이   화염에 휩싸여   마치  개미의  몸처럼  보이고 있다.

 

 

 

       우주의  보석   목걸이 성운  Necklace Nebula                  사진제공  Romano Corradi (IAC), et al., IPHAS

이 행성상 성운의  중앙에 있는  별은   공전 주기가  하루가 조금 넘는  쌍성으로

주위에  가스구름이  둘러싸고 있다.     목걸이 성운의  반짝이는 고리 길이는   약 1/2 광년.

이 구름은  5000년 전  목걸이 성운이  만들어지기 전에   분출되어  나왔을 것으로  생각된다.

 

 

 

       북반부와  남반부  올빼미                                                                   사진제공  Don Goldman

지구를 향해   부릅뜨고 있는  올빼미의 두 눈이   재미있게  담겨있다.

왼쪽이  큰곰자리에 위치한   북반구의  올빼미 성운  Owl Nebula, M97이고,

오른쪽이  바다뱀자리에 위치한   남반구의  올빼미 성운  PLN 283+25.1이다.

두 개 성운 모두   원형의 모습을 하고 있으며,   그 크기도 비슷하여   폭이 대략  2광년 정도  펼쳐져 있다.

 

 

 

 

행성상 성운은  

생의  마지막 단계에  들어선  별의 모습이다.

 

 

은하수 은하의 내부에서  사방을  두리번거려 보면  

구각 모양의  발광 성운을 동반한  별들을   종종  만나게 된다.

그리고  중심 별 근처에는   진화의  끔찍한 잔해들이  널려 있을 것이다.   

지구와 같은  멸망한 행성들의  잔해 말이다.

 

한때는  생명이 충만한   생기발랄했던  세상이

이제는  물도 공기도   다 말라 버린

죽음의 불모지로  변한 채   유령 같은  광휘(光輝) 속에  깊이 잠겨 있을 것이다.

 

 

 

태양의 잔해는   어떤 모습일까?

처음에는  행성상 성운에   깊숙이  싸여 있겠지만,

고온의 알몸이  차가운  우주 공간  밖으로 노출된  태양은   서서히 식으면서  수축을 계속한다.

 

 

차 숟가락  하나분의 질량이  1톤에 이르는   고밀도의 물질로  수축하게 되면서

태양은   행성상 성운  한복판에 자리하는   백색왜성 (白色矮星, white dwarf)으로  변신한다.

 

즉,  백색왜성은   태양과 같은  별이 거치는   마지막 단계로,

중심핵의 물질을  다 소모하고  수명을  다할 때

남아있는  별의  뜨거운 핵심부분이  굳어진 것이며,   대부분  탄소로 되어 있다.

 

 

 

       모래시계 성운  MyCn18                        사진제공  R. Sahai and J. Trauger (JPL), WFPC2, HST, NASA

모래시계 모양의  이 행성상 성운의  중심별에게는   시간의 모래가  얼마 남지 않았다.

별의 핵 연료가  소진되면서   별의 중심은  점점 식어가고   수축되면서   백색왜성이 된다.

발광가스 -붉은색의 질소,  녹색의 수소,  그리고 파란색의 산소-의  고리가

별의 외피에서  내뿜어진   모래시계 성운 Hourglass Nebula의   황홀한 모습을  비춰주고 있다.

이 성운의  분출과정은   행성상 성운의  복잡한 형태와  대칭성에 대한   많은 의문을  해결해 줄 것이다.

 

 

 

       누에고치 성운  NGC 2440               사진제공  H. Bond (STScI), R. Ciardullo (PSU), WFPC2, HST, NASA

행성상 성운  NGC 2440은   백색왜성을  가지고 있다.

백색왜성은  전에 자신이 걸쳤던   고치를 벗어 던지고   나비처럼  새로운  여정을 시작한다.

우리의 태양도  50억년 정도 지나면   한 마리의  백색왜성 나비로   변신하게  될 것이다

 

 

 

       아령성운 M27                                                사진제공  Bill Snyder (Bill Snyder Photography)

아령성운 Dumbbell Nebula,  M27은   밤하늘에서  가장 밝은  성운 중  하나다.

나비모양의  행성상 성운 bipolar planetary nebula 중심에서  X-선을  방출하고 있는

뜨거운  백색왜성과,   주변의  붉고 푸른 기체를   우주 공간에 내뿜는  물리적 메카니즘 등

별들의  진화과정은   아직도  많은 부분이   신비에  싸여 있다.

 

 

 

       메두사 성운                                                 사진제공  Bob Franke (Focal Pointe Observatory)

작열하는  가스 필라멘트들이   이 성운의 이름을  암시해 준다.

메두사성운 Medusa Nebula,  Abell 21은   늙은 별의  마지막 모습이다.

사진에는  가스에 가려져 있지만  이 성운의 중앙에서   늙은 별이  자외선을 방출하여   초승달을  밝게 비추고  있을 것이다.

 

 

 

       고양이 눈의  헤일로                  사진제공  R. Corradi (Isaac Newton Group), Nordic Optical Telescope

북유럽 광학망원경에서 얻은  데이터를 조합한  이 사진에는   성운에서  펴져 나오는  기체가  잘 드러나 있다.

별이  행성상 성운의  모습을 보이는  기간은   대략  1만 년 정도인데,

이 헤일로의  외곽부분을  구성하고 있는  필라멘트들은   약 5만년에서  9만년 정도의  수명을 가진 것으로  보여진다.

따라서 이 헤일로는  별이 행성상성운으로  진화하는  초기단계에서  방출한  물질들에 의해  만들어진 것으로  추측되고 있다.

 

 

 

질량이 비슷한  두 별은

같은 진화의  과정을  같은 속도로  밟아 간다.

질량이 큰 별은  작은 별보다   자신의 핵연료를  더 빨리  사용한다.

 

 

그렇기 때문에  질량이 다른  두 별이  동시에 태어나  

쌍성 (雙星 binary star)을  이루고 있다면,

큰 별이  작은 별보다   먼저  적색거성 단계에  들어가고   백색왜성으로의  종말도  먼저 맞게 된다.

 

그런데 별들은  둘씩  짝을 지어  쌍성계를  이루는 경우가  허다하다.

그러므로  하늘에는   적색거성과  백색왜성으로  구성된  쌍성계가 흔하다.

 

 

 

       남반구  고리성운  NGC 3132         사진제공  NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

이 아름다운 비대칭의  행성상 성운을  만든 것은   중앙의  밝은 별이 아니라   근처에 있는  희미한 별이다.

쌍성을 감싸고 있는  이 빛나는  뜨거운  푸른 가스 구름은   작은 별의  뜨거운 표피에서  에너지를  공급받고 있다.

 

 

 

       고양이눈 성운               사진제공  J. P. Harrington (U. Maryland) & K. J. Borkowski (NCSU) HST, NASA

외피를  모두 날려버린 채  중심에서  밝게 빛나고 있는  고양이 눈은   현재  쌍성으로  알려져 있다.

 

 

 

       유령성운과  쌍성                   사진제공  Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, University of Arizona

별자리 Cepheus에서  유령성운이   밤하늘을  떠돌고 있다.

유령성운 오른쪽에  암흑성운이  서서히 쌍성을  잉태하고 있고    왼쪽 아래에도  쌍성이 밝게 빛난다.

 

 

 

특히  근접  쌍성계인 경우에는

두 별 사이의  거리가 가까워서   팽창한  적색 거성에서부터

흘러넘친  물질이   백색왜성 표면의  특정 지역으로  떨어져 쌓인다.

 

이렇게  자신의 동반성에서부터  공급받은  수소를 가지고

백색왜성은  강력한  중력의 작용으로   고온 고압의  상태를 만들고

결국  핵융합 반응을   다시 일으킨다.

 

 

이때  백색왜성은  잠깐 동안  많은 빛을  발하고

원래의 밝기로  돌아가는데   이별이 바로   신성(新星 nova)이다.

 

신성의 출현은  초신성과는   별개의  현상이다.

초신성은  혼자인데 비해서   신성은 반드시  쌍성계에서  볼 수 있고

수소의  핵융합 반응이   신성의  급작스러운  광도 증가의  원천이 된다.

 

 

 

     신성 GK Per,  Nova of 1901       사진제공  Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, University of Arizona

불꽃성운으로도 알려진  GK Persei는   20세기 초만해도  밤하늘에서  가장 밝은  별들 중  하나였다.

이 별은  전형적인  신성이며,   작은  백색왜성과  팽창한  차가운 거성이  가까운 궤도를  돌고 있는  쌍성계다.

거성에서  백색왜성 표면으로  이동한 물질들은   강착원반을 만들고   궁극적으로  핵융합 폭발을 일으켜

백색왜성은  파괴되지 않고  성간물질을  우주로 내보낸다.    폭발로부터 나온  물질이   지금도  우주로 뻗어나가고 있다.

 

 

 

백색왜성이 된  태양은

수십억 년의 세월이   또 흐르면

그나마  남아 있던  자신의 온기를  복사로  다 잃고

결국 태양은  흑색왜성이 되어   우리의 시야에서  영원히  사라질 것이다.

 

 

 

 

우리의  잣대로 보면   탄생에서  죽음에 이르기까지

무한한  시간동안   영원할 것 같은   별들의 일생도

뜨겁게  타오르던  용광로가  식기 시작하면서   화려한  별의 일생을  마감 한다.

 

 

 

       헬릭스 성운  NGC 7293                                         사진제공  Ed Henry (Hay Creek Observatory)

지구에서  700광년 떨어진  물병자리에서   또 하나의 별이  죽음을  맞이하고 있다

 

 

 

       삶과 죽음  NGC 3603                  사진제공  Wolfgang Brandner, Eva K. Grebel, You-Hua Chu, NASA

이  한 장의 사진이   별들의 일생을   모두  보여주고 있다.  

오른쪽 아래  고밀도의  성간운 안에는 

알에서 깨어나기를 기다리는  별들 주위로   갓 태어난  신생아 별들이  자라고 있다.

중앙에  젊은 별들이  한데 모여   밝게 빛나고 있는  바로 옆에는

큰 별들이  외피를 부풀리면서  빛나는 가스 고리를  만들고 있다.     종말이 가까운 것이다.

출처 : 블랙러샨

글쓴이 : 블랙러샨 원글보기

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