여기서 말하는 별은 항성임을 미리 밝혀둡니다.

별의 진화 경로와 종말은 그 질량에 따라 다릅니다.

별이 우주 공간의 성간운에서 태어나서 우리에게 그 모습을 드러낼 때 쯤이면 별의 중심에서는 수소 원자의 핵이 융합 반응을 일으켜 헬륨을 합성함으로써 에너지를 방출합니다.

별의 70% 이상이 수소이긴 하지만 사실 수소핵 융합 반응에 사용되는 수소는 별의 중심 근처에 있는 10%에 불과합니다.

왜냐하면 수소가 핵융합 반응을 일으키려면 온도가 천만 K (K는 절대 온도의 단위입니다. 섭씨 온도에 약 273을 더하면 절대 온도가 됩니다) 이상이어야 하는데, 별의 중심 일부분만이 이 정도의 온도를 유지할 수 있기 때문입니다.

세월이 흘러 별의 중심에서 수소가 모두 소진되고 나면 별은 더이상 에너지를 생성하지 못하게 됩니다. 별이 에너지를 생성하지 못하면 심각한 상황이 벌어집니다. 별이 에너지를 생성하는 동안에는 생성된 에너지 때문에 발생하는 압력이 별 자체의 중력을 버텨왔습니다. 그런데 이제 수소 연료가 사라져서 에너지를 더이상 생성하지 못하면 별 자체의 중력을 버틸만한 힘이 사라지기 때문에 별은 찌그러들기 시작합니다.

여기서 한 가지 주목해야 할 사실이 있습니다. 별이 찌그러들 때에는 별이 가지고 있는 중력 위치 에너지가 열에너지로 전환된다는 것입니다. 그 덕분에 별의 온도가 올라가는 것이지요. 하지만 온도가 올라간다고 해서 에너지가 생성되지는 않습니다. 수소 연료는 이미 바닥났기 때문이지요.

그러는 동안 별은 계속 찌그러들고 그 결과 별의 온도는 계속해서 높아집니다. 그러다가 별의 온도가 1억K가 되면 이번엔 헬륨이 융합될 수 있습니다. 수소핵이 융합되는 데에는 천만 K의 온도가 필요했지만 헬륨핵이 융합되려면 1억K의 온도가 필요한 것입니다. 1억K의 온도를 달성하는 지점은 물론 별의 중심입니다. 그래서 별은 이제 그 중심에서 헬륨을 융합시키면서 다시 에너지를 생성하게 되는 것이지요. 이러한 별을 적색거성 이라고 합니다.

내부에서 에너지가 생성되니까 큰 압력이 발생하여 별이 찌그러지는 것을 막습니다. 별은 이제 다시 그 크기를 유지할 수 있게 됩니다.

하지만, 모든 별이 헬륨을 융합할 수 있는 것은 아닙니다. 아무리 찌그러진다 하더라도 질량이 작으면 원하는 온도를 달성할 수 없습니다. 태양 질량의 30%보다는 커야 헬륨핵을 융합하여 에너지를 만들어낼 수 있습니다.

헬륨도 결국엔 모두 소진되고, 별의 중심은 헬륨이 융합됨으로써 형성된 탄소로 가득차게 됩니다. 그러면 별은 이제 더이상 에너지를 생성하지 못합니다. 따라서 별은 다시 찌그러지겠지요. 별이 찌그러지니까 별 중심의 온도는 다시금 상승하기 시작합니다. 하지만 별의 질량이 태양 질량의 3배보다 작으면 탄소를 융합하지 못합니다. 탄소를 융합하려면 7억K의 온도가 필요한데, 질량이 태양 질량보다 작은 별의 중심에서는 이 정도의 온도를 달성하지 못하기 때문이지요. 이제 별은 그 외부를 잃어버리고 중심만이 남아 백색왜성 이라는 별로 조용히 죽어갑니다. 태양도 이렇게 됩니다.

만약 별의 질량이 태양 질량의 3배보다 크면 이젠 그 중심에서 탄소를 융합할 수 있게 됩니다. 태양 질량의 3배를 간신히 넘는 별들은 탄소를 융합하기 전에 축퇴라고 하는 단계를 거치게 되는데, 축퇴 상태에서 빠져나와 탄소를 융합하기 시작할 때에는 순식간에 엄청난 에너지가 방출되어 별은 온통 파괴되고 맙니다. 초신성이 되는 것이지요.

하지만 태양 질량의 3배를 크게 넘는 별들은 축퇴 단계를 거치지 않고 부드럽게 탄소 융합을 시작하기 때문에 그 이후 단계로 진행하게 됩니다. 이제 순차적으로 별은 그 중심에서 내온, 산소, 규소 등을 융합하면서 점차 진화하다가 나중에 별의 중심이 철로 가득차게 되면 그 이후로는 더 이상 핵 융합을 하지 못합니다. 왜냐하면 철은 결합에너지가 가장 큰 원소로서 철의 핵 융합을 일으키려면 외부에서 오히려 에너지를 공급해 주어야 하기 때문입니다.

결국 중심이 철로 이루어진 별은 굉장한 폭발을 일으키면서 파괴되는데 이것 역시 초신성입니다. 초신성 폭발이 이루어질 때 철보다 무거운 원소들이 형성됩니다.

초신성 폭발이 이루어진 다음에는 질량에 따라 중성자성 또는 블랙홀이 됩니다. 질량이 아주 무거워야만 블랙홀이 될 수 있는 것이지요.


[ 하늘과 바람과 별과 시-푸른행성의 과학 :: http://www.skyobserver.net ]