별의 일생과 초신성 폭발

구글 SKY에 나와 있는 별의 일생에 대한 설명에 더 추가할 사항이 필요하여 기록한다.

여기에 등장하는 내용들은 스티븐 호킹의 <시간의 역사>와  빌 브라이슨 <거의 모든 것의 역사>의 내용을 기반으로 작성된 것이다.

 

우주공간에서의 별의 일생은 순환적으로 나타나는 현상이다
따라서 별의 탄생에서 최초에 언급되는 '가스구름', '가스와 먼지 덩어리'들은 그 이전의 별의 폭발로 인하여 발생하는 것이다.
물론 이러한 폭발은 그 기원으로 거슬러 올라가면 빅뱅을 만나게 될 것이다.

 

우주 공간에 존재하는 가스와 먼지 덩어리들은 각 가스나 먼지 덩어리들의 질량이 제각각일 것이므로 그 중 큰 질량을 가진 덩어리들의 중력장을 중심으로 점점 뭉쳐지게 된다.

 

이러한 현상은 일반적으로 주위에 큰 은하가 있다거나, 항성이 탄생할수록 중력 불균형이 가속화되면서 더 잦은 충돌을 만들어낼 것이다.

원소 크기의 미시 세계에서 이러한 현상을 살펴보면 다음과 같다.

가스덩어리들이 점점 뭉치게 된다는 것은 원자 레벨에서는 수소의 충돌이 빈번해 진다는 것을 의미한다.

이렇게 충돌이 증가되고 가속화되면 수소 원자의 충돌에서 발생하는 열은 어느새 수소 원자의 융합이 가능한 상태까지 오르게 된다.
수소 원자가 융합하여 헬륨이 형성되면 이 반응에서 또 다시 열이 발생되고 이 열은 수소원자의 융합에 재 투입되는 한편

남는 열은 복사열로 방출되면서 우리 태양과 같이 빛을 내게 되는 것이다.

 

이러한 과정은 별 자체의 중력에서 발생하는 인력-응집력-과 열 에너지 사이의 균형이 이루어지는 한에서 유지된다.(주계열성)

 

그러나 결국 별은 모든 핵연료를 소모할 수 밖에 없게 되고, 이때부터 냉각과 수축을 시작하게 되는 것이다.

 

( <시간의 역사>에 등장하는 별의 일생에 대한 이미지. 각 단계를 설명하면 아래와 같다.)

 

1. 먼지와 가스로 이루어진 원시성 구름이 중력에 의해 붕괴하면서 별이 형성된다.
2. 가장 질량이 작은 별(갈색왜성)은 연료를 모두 태운 후에도 아무런 변화가 없는 것처럼 보인다.
3. 주계열 별은 중심에서 수소 연료를 태운다.
   a. 태양과 동일 질량이거나 태양 질량~10배 이내 별
   b. 태양 질량의 10배에서 30배 사이 별
   c. 태양 질량의 30배 이상의 별
4. 수소 연료가 소진되면서 헬륨핵이 형성된다 가스 덮개가 팽창하기 시작한다.
5. 태양과 잘량이 같은 적색거성은 탄소핵을 가지고 있으며, 그 주위를 수소를 태우는 껍질과 가스상 덮개가 에워싸고 있다.
6. 초거성 : 태양 질량의 10배에서 30배 이상에 달하는 질량이 큰 별이 수명을 다하면 초거성이 된다.
7. 백색왜성 : 태양 질량과 같은 별이 붕괴하면 그 중심은 백색왜성으로 남게 된다.
8. 중성자별 : 태양질량의 10배에 해당하는 별은 중력붕괴를 거쳐 중성자별이 된다. 이러한 별이 폭발하면 초신성 폭발이 되는 것이다.
9. 블랙홀 : 태양질량의 30배 이상인 별이 중력붕괴를 일으키면 블랙홀이 된다.

별이 냉각과 수축을 시작한 이후 어떠한 현상이 일어나는지 이해하기 시작한 때는 1920년대 말 이후 부터이다.

별에서 중력 붕괴가 나타날 수 있음을 처음 예견한 사람은1983년 노벨상의 수상한 인도의 수브라마냔 찬드라세카르(1910~1995)이다.
그의 이름을 딴 찬드라세카르 한계(Chandrasekhar Limit)는 물질입자 상호간에 발생하는  반발력이 그 물질자체가 특정 밀도를 넘어서면 물질의 중력에서 발생하는 인력보다 작아져서 자체 중력을 지탱하지 못하는 한계를 말한다.

 

찬드라세카르는 이를 대략 태양 질량의 1.5배 이상의 죽은 별에서 나타날 것으로 계산했다.

그러나 겉보기에는 그냥 아무렇지도 않게 보이는 이 계산은 별의 질량이 무척 큰 경우, 그리고 물질의 밀도가 상상을 초월할 정도로 증가하는 경우를 상정 가능하게 했다.

찬드라세카르는 여기에서 나타날 수 있는 무한 밀도 붕괴라는 문제가 너무도 받아들이기 힘든 개념이어서 스승이었던 에딩턴의 반대로 더 이상 연구를 진행하지 않았다.

 

한편 거의 비슷한 시기에 러시아의 레프 다비도비치 란다우(1908~1968)역시 비슷한 발견을 하게 되었다.
중성자 별의 존재는 란다우에 의해 예견되었는데 그 내용은 다음과 같다.

 

만약 어떤 별의 질량이 찬드라세카르 한계보다 작으면, 그 별은 수축을 멈추고 수천마일의 반경과 1세제곱인치당 수백 톤의 밀도를 가진 백색왜성으로 정착하게 된다.

그러나 그 질량이 태양 질량의 1~2배 정도의 한계질량을 가지지만, 백색왜성보다 훨씬 작은 경우 이러한 별들은 전자 사이에서 발생하는 반발력이 아닌, 중성자와 양성자 사이의 반발력에 의해서 지탱하게 될 텐데, 바로 이 별이 중성자별(neutron star)가 되는 것이다.

 

중성자 별은 반경이 불과 10마일 정도이지만 1세제곱인치당 밀도는 수억톤에 이르는 상상 불가능한 물체이다. 
 
아마도 이때쯤 중성자의 발견은 천문학자에게 유용한 재료가 되었던 것 같다.
스티븐 호킹의 <시간의 역사>에서는 중성자별이라는 별의 유형을 분류한 란다우를 얘기하고 있는데 <거의 모든 것의 역사>에서는 프리츠 츠비키라는 과학자를 언급하고 있다. 

 

물론 그는 '초신성'을 처음 명명한 사람으로 등장하고 있지만, 초신성을 위해서는 중성자별을 비껴갈 수 없으므로 중성자 별의 개념 역시 츠비키에 의해 독립적으로 다루어진 것으로 나타나고 있는 것이다.

 

1930년대 초반, 천문학자들은 아무것도 없던 하늘에서 가끔씩 새로 나타나는 별의 현상을 설명할 수 없었다.

츠비키는 중성자가 이 문제의 해결열쇠가 아닐까 생각했다고 한다.

츠비키는 원자가 상상하기 어려울 정도의 밀집 상태로 '압착'된다면 전자들까지도 원자핵에 밀려들어가서 중성자가 될 것이고, 여기서 중성자별이 생겨난다는 생각을 하였다.

이 상태의 수축이 야기하는 밀도는 한 숟가락 정도에 900억 킬로그램정도에 이르고, 이러한 수축상태에서 나타나는 엄청난 에너지가 폭발하여 우주에서 가장 큰 폭발이 발생하게 되는데 바로 이러한 폭발을 '초신성(SuperNova)'이라고 부른 것이다.

그러므로 '초신성(Supernova)'은 그 단어 자체가 의미하는 것처럼 고정된 형태의 '별'이 아니라 폭발 '현상'을 의미하는 것이다.

다만 그 거리가 너무나 멀리 떨어져 있어서 광속의 속도로 퍼지는 폭발가스조차도 우리 눈에는 고정된 것으로 보일 것이므로 '별'로서 표현이 되는것 뿐이다.

 

초신성에 대한 이러한 의견은 1934년 1월 15일 발간된 '물리총설'이라는 학술지에 실렸다.
24줄의 짧은 문단에는 중성자별의 형성과정, 폭발의 규모에 대한 정확한 예측, 우주에 가득차 있는 우주선(宇宙線) 이라는

신비한 현상이 초신성 폭발 때문이라는 결론도 있었다.

 

츠비키의 이러한 발견은 비록 당시에는 아무런 반향도 불러 일으키지 못했지만 저자는 킵S.손 이라는 천체물리학자의 말을 인용하여 "물리학과 천문학의 역사에서 가장 높은 수준의 선견지명이 담긴 논문"이라고 평가하고 있다.

 

초신성은 태양보다 훨씬 더 큰 거대한 별이 수축되었다가 극적으로 폭발하면서 1000억 개의 태양이 가진 에너지를 한 순간에 방출하여 한동안 은하의 모든 별을 합친 것보다 더 밝게 빛나는 상태를 말한다.

 

이러한 초신성 폭발이 우리 가까이에서 발생한다면 어떻게 될까?

현재 우리와 가장 가까이 있는 별인 태양은 앞서 언급된 대로 초신성 폭발로 생을 마감하기에는 너무 작은 별이다.
그리고 앞으로 50억년은 더 사용할 수소에너지들이 남아 있다.

 

과학자들은 대략 10광년 이내에서 초신성 폭발이 발생하면 여기서 발생하는 우주선(宇宙線)이 지구의 자기장을 모두 망가뜨려 버리고 결국 모든 생명체가 강렬한 태양빛에 타 버릴 것이라고 예상한다.

 

다행인 것은 10광년 이내에는 초신성 폭발을 발생시킬만한 별이 존재하지 않는다는 점이다.
우리와 가까이 위치한 별들 중에서 그나마 초신성 폭발이 발생할 것으로 예측되는 베텔기우스라는 별은 5만 광년이나 떨어져 있다.

 

아득히 떨어진 우주 공간에서 발생하는 폭발이긴 하지만 어떤 초신성 폭발은 그 밝기가 너무 밝아서 지구에서 육안으로

관측되기도 했던 모양이다.
1054년 지금의 게성운(Crab Nebula)을 만들어낸 폭발이 기록에 남아 있고, 어떤 사람들은 동방박사를 안내한 예수 탄생시의 별이 초신성 폭발로 인해 생긴 것이 아닐까 예측하기도 한다.

 

초신성의 폭발에서 또 한가지 놓치지 말아야 할 것은 무거운 원소의 생성이다.
우주에 가장 많이 존재하는 수소는 물론 가장 가볍고 가장 단순한 원소이기 때문이다.
그러나 우리와 같은 생명체가 존재하려면 탄소, 철과 같은 무거운 원소들이 반드시 필요하다.
원자의 융합에는 엄청난 열이 필요한데, 바로 초신성이 이러한 원소를 가능케 하는 원인이 되는 것이다.