별의 탄생과 진화

별의 탄생과 진화

 

별의 탄생과 진화

 

1. 별의 탄생

 

 별은 성간 물질로부터 형성되어 있다. 성간 물질은 별과 별 사이에 있는 것이다. 별이 이 물질로부터 형성되고 있다는 증거가 몇 가지 있다. 첫째는 100억에서120억 년 정도의 나이인 수천억 개의 별로 이루어진 은하는 태양계의 나이보다 훨씬 많다. 그래서 태양은 은하보다 뒤에 만들어졌고 별들이 모두 한 번에 만들어지지 않았음을 의미한다. 둘째는 나이가 적고 질량이 큰 별들이 산개 성단 속에서 이루어져 있다는 사실이다. 이 성단 속에 있는 별들은 거의 비슷한 시기에 형성되었다. 우리 은하에 의한 기조력, 즉 조석을 일으키는 힘과 은하계 중심 둘레를 움직이는 별들의 궤도운동 때문에 별들이 흩어져서 대부분의 성단은 분해된다. 이러한 사실이 나이가 수억 년보다 더 오래된 성단이 없다는 증거이다. 이러한 성단들이 은하 초기에 모두 동시에 형성된 것이 아니라 꾸준히 지속적으로 형성되고 있음을 말해준다. 셋째는 질량이 작은 별들일수록 느린 속도로 진화한다. 태양 질량의 20배 넘는 별들은 수 백만 년정도만 빛을 낸다. 이 별들이 여전히 밝게 빛나고 있는 것은 별들이 수백만 년 전에 만들어졌음이 확실하다.  그러므로 별들은 우리 은하에서 오랜 기간 계속 해서 함께 해왔다고 말할 수 있다.

 

2. 별의 진화

 

 원시성이 주계열에 도달할 때까지는 에너지가 대체로 중력 수축에 의해서 발생된다. 별이 주계열에 도달하면 별은 핵융합 반응을 일으켜서 에너지를 낸다. 주계열에서 별들은 일생의 대부분을 지내지만 시간이 흐르면 별의 표면과 내부에서 변화가 일어난다. 그렇게 되면 별은 주계열을 떠나서 거성 단계에 이르게 되는데 이때 별은 질량을 잃게 되고 변광성의 단계를 거쳐서 최후를 맞게 된다. 별들은 그 질량의 크기에 따라서 다른 진화와 변화를 겪는다. 별이 일생을 어떻게 진화해 가는가에 대해서 알아보자. 전주계열 단계에 있는 별들의 형태는 어떠할까? 전주계열 단계는 원시성 단계의 끝에서부터 주계열까지의 단계를 말한다. 천문학자들은 전주계열 단계에서 질량의 크기에 따른 별의 진화경로와 주계열을 향해 수축하는 별의 형태 등을 자세히 연구해 놓았다. 질량이 큰 별은 질량이 작은 별보다 빠르게 진화해서 주계열에 더 빨리 도달한다. 질량이 태양 질량의 15배인 별은 주계열에 도달하는 데 단지 10만 년 정도밖에는 걸리지 않고, 태양 질량의 5배인 별은 약 1백만 년 이상, 태양만한 별은 수백만 년 이상 경과되어야 주계열에 도달할 수 있다.

 

3. 변광성의 단계

 

 변광성은 밝기가 변하는 별들이다. 변광성은 일반적으로 세 가지 중요한 형태로 분류된다. 즉 변광성에는 식 변광성, 맥동 변광성, 그리고 폭발 변광성 등이 있다. 식 변광성은 앞의 쌍성계에서 이미 소개되었으므로 여기서는 맥동 변광성과 폭발 변광성만 소개하기로 한다. 현재 약 3만 개의 변광성이 목록에 수록되어 있으며 그들은 28개의 형으로 분류된다. 이제까지 알려진 중요한 변광성을 h – r 도상에 나타낸다. 세페이드형 변광성은 다음과 같은 두가지 이유에서 중요하게 생각되고 있다. 첫째는 밝기의 변화가 규칙적으로 일어나기 때문에 변광이 불규칙한 불규칙 변광성보다는 변광과정을 이해하기가 훨씬 쉽다는 점이다. 대부분 변광성에서는 별 내부에서 일어나는 핵반응의 변화나 별 내부로부터의 복사 에너지 흐름의 변화에 의해서 밝기가 변한다, 변광성들은 밝기의 변화와 바찬가지로 크기나 다른 물리적 성질도 변한다. 최초로 발견된 세페우스 자리의 델타 변광성은 밝기의 변화와 동시에 별의 지름과 표면온도도 변한다. 역사적으로 신성은 초신성보다 먼저 과거에 갑자기 하늘에 나타난 모든 새 별들에 사용되었다. 신성은 폭발하여 밝기가 급격히 변하는 별인데 그 한 예가 백조자리의 신성1975이다. 이 신성은 폭발하는 동안 광도가 2시간마다 2배로 증가해서 밝기가 폭발 전의 약 300배 이상 되었다가 점차 어두워진다. 이 별에서는 분출된 가스가 초속으로 팽창함을 도플러 이동의 측정으로 알 수 있다. 신성은 아주 흔하게 발견된다. 우리 은하의 수 천억 개 별들 중에서 매년 30~50개의 별이 신성으로 폭발한다. 그러나 초신성은 1세기에 하나 정도 발생한다. 한때 하늘은 불변하는 것으로 생각되었는데 폭발하는 별을 인류가 발견했다는 사실은 중요한 의미를 갖는다. 우리가 보고 있는 짧은 기간 내에도 별들이 실제로 진화하고 있는 증거를 포착한 것이다.

 

4. 별의 최후

 

 초기의 질량이 태양과 비슷한 별 진화의 말기를 생각해 보자. 별의 대기층은 상당히 팽창하여 외부의 대기층 가스들이 공간으로 흩어져 버리지만 그래도 대부분 의 질량은 고밀도 고온의 중심부에 남아 있다. 중심부에서는 연료가 고갈되어 분출되지 않고 남아 있는 대기를 포함한 별 전체가 최종적으로 중력 수축하게 된다. 1844년에 베셀이 하늘에서 가장 밝은 별인 시리우스에는 이 별 주위의 궤도를 돌고 있으나 희미해서 보이지 않는 다른 별이 있고, 이 별 때문에 시리우스의 궤도가 섭동을 받아 구불구불하게 되는 사실을 발견했다. 이 별이 고온이고 청백색의 백색 왜성으로서 h – r도에서 주계열 밑에 놓인다. 이 별이 고온이고 청백색의 백색 왜성으로서 주계열 밑에 놓인다. 이러한 밀도에서는 전자들이 거의 광속도 운동을 하고 이상 기체의 성질을 잃는다. 그래서 연소가 일어나는 구역은 별의 바깥 부분으로 옮겨간다. 별 중심핵의 붕괴는 중심핵에 연소시킬 물질이 없거나 그 연료에 불을 붙일 만큼 온도가 충분히 높지 못할 때 일어난다. 1060년대까지만 해도 질량이 매우 큰 별이라 하더라도 폭발 때 질량의 많은 부분을 분출하여 잃게 되므로 반드시 질량이 백색 왜성이 생성되는 것으로 생각했다. 그런데 후에 이 질량보다 더 큰 밀도를 가진 별들, 즉 중성자별과 블랙홀 등이 발견되었다.