토플 [astronomy] Stars 별의 탄생과 죽음

 

 

밤하늘의 별에 대해서 깊이 생각해보신 분들 계신가요?

제가 어렸을 때는 별자리에 대해서 친구들끼리 책도 사서 같이 맞춰보기도 하고,

잡지책 귀퉁이에 작게 그려진 '이 달의 별자리'도 놓치지 않고 꼭 확인하고 친구들에게 말해주기도 하고 그랬던 기억이 납니다.

별이 잘 보이는 시골에 가서 가만히 별들을 보면,

다 똑같이 밝게 빛나는 것이 아니라

밝기가 각각 다 다르고, 심지어는 색깔까지도 약간씩 차이가 있는 것을 느끼실 수 있을 거예요.

공부를 하다보면 이러한 것들이 별의 생성과 소멸에 관계가 있다는 것을 아실겁니다.

그리고, 토플 공부를 조금이라도 해보신 분들이라면,

별의 탄생과 죽음에 대한 지문들을 리딩이나 리스닝을 통하여 접해본 적이 있으실 거예요.

그만큼 토플 천문학 분야에서는 단골 주제인 듯 하네요.

그래서 오늘은 가장 필수적인 천문학 주제, 별의 탄생과 죽음의 과정에 대해서 자세히 알아볼까 합니다.

전문용어도 당연히 필수로 외워두셔야 해요! 

 

 

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[1] 별의 탄생 

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먼저, 별은 성운(nebula)에서 만들어집니다. 엄청나게 많은 분자들과 고체의 미립자, 수소 가스들이 포함되어 있어서 분자 구름(molecular cloud)이라고도 말해요! 이 곳에는 수십 광년의 범위에 걸쳐서 태양 수십만 개 분량의 가스와 먼지들이 모여있어 밀도가 굉장히 높다고 합니다.

이 분자구름 주변에 초신성(supernova) 폭발 또는 두 은하의 충돌과 같은 강한 충격파가 생기면 그 영향으로 인하여 분자 구름 내부의 중력이 불안정해지기 시작합니다. 그러면 안정되어 있던 분자들이 서로 나뉘어져 각각 중력으로 인하여 수축하기 시작하고 이 분자구름은 붕괴하기 시작합니다. 

그리고 분자구름이 붕괴하면, 밀도(density)가 높은 먼지 덩어리들이 중력으로 인하여 계속 모이게 되고 수축(contraction)을 하니 밀도가 늘어나게 됩니다. 이 때, 수축으로 인하여 내부 압력이 크게 증가하고 분자들끼리 계속해서 충돌하게 되면서 그 중심 부분은 점점 뜨거워지게 됩니다. 그리고 어느 순간 이 중력에너지는 열로 바뀌면서 온도가 엄청 높이 올라가게 됩니다. 그리고 이 덩어리가 안정적인 상태가 되면, 별의 전 단계인 원시성(protostar)이 탄생하게 됩니다. 다시 설명하지만, 이 원시성은 고밀도와 고온의 상태를 갖고 있습니다. 

이렇게 만들어진 원시성(protostars)은 빠른 속도로 회전을 하며 수축을 하게 되는데 이 때 남아 있던 가스와 먼지들은 평평한 원반(disk)을 형성하게 됩니다. 그리고 그 가스와 먼지들의 원반 속에서 행성들이 생성이 되며, 별은 안정적으로 빛을 내기 시작하고, 원자 열 핵융합(atomic thermonuclear fusion) 반응으로 인하여 수소(hydrogen)는 헬륨(helium)으로 변하게 됩니다. 

그리고 이러한 핵융합의 시작은 스스로 빛을 내며 타오르는 별, 즉 항성(fixed star)으로 탄성하는 것입니다.  

 

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정리가 되셨나요? 간단하게 나열해볼께요!

성운(nebulae, molecular cloud) -> 강한 충격파 -> 성운 붕괴 -> 중력 중심으로 덩어리 모임 -> 계속 수축하며 중심 온도 높아짐 -> 원시성 탄생(protostars) -> 원시성 회전 -> 원반(disk) 모양 형성 -> 행성들 생성 -> 핵융합(수소->헬륨) -> 별의 탄생

 

 

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[2] 별의 일생 

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탄생한 별은 일생 중 거의 90%의 시간을 주계열성(main sequence) 단계를 거치며 보내게 됩니다. 어려운 용어가 나왔습니다. '주계열성 단계'란 별 내부의 중심부에서 별이 소멸단계에 들어가기 전까지 수소의 핵융합 반응이 계속해서 일어나는데 이 과정을 나타내는 단계입니다. 이 과정은 핵융합 반응으로 핵 안에 있는 수소의 양은 줄어들고 대신 헬륨이 늘어납니다. 그리고 별을 지탱할 수 있는 충분한 압력을 갖기 위해서 중심핵이 조금씩 수축하고 밀도와 온도는 증가합니다. 다시 말하자면, 중심부로 수축하려는 중력과 외부로 팽창하려는 압력 사이의 힘이 비슷해지면서 평형상태가 이루어집니다. 그리고 외부로 팽창하려는 압력으로 인하여 별이 조금씩 커지고 표면에 도달하는 에너지도 같이 상승하여 별의 광도가 조금씩 더 증가하게 됩니다.

이 주계열성 단계에 있는 별의 예는 우리가 보고 있는 태양입니다. 그리고 우리가 밤하늘을 볼 때 보이는 별들의 90%가 이 주계열성 단계에 놓여져 있는 별들이라고 합니다. 

그리고 여기서 잠깐 별의 질량에 대해서 이야기를 해보자면 주계열성 단계에 있는 별들 중 질량이 작은 별일 수록 수명이 길다고 합니다. 질량이 큰 별은 훨씬 더 강한 중력으로 수소를 많이 소모해서 질량이 작은 별들보다 더 밝지만 수명이 짧다고 합니다. 그러니깐 질량이 큰 별은 에너지를 그만큼 많이 쓰기 때문에 빨리 소멸된다고 이해하면 될 것 같습니다.  

 

 

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[3] 별의 죽음 

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별의 죽음의 단계도 참 중요합니다. 이 과정 역시 별의 형성같은 많은 단계가 있고 고유한 단어들이 있습니다.

그리고 별의 크기에 따라서 이 단계는 다르게 이루어집니다. 3가지 별로 나누어 조금 더 자세히 알아볼께요!

 

 1) 질량이 작은 별 (태양보다 작은 별을 의미합니다.)

    - 태양 질량의 0.4배 작은 별

아주 작은 별들의 소멸과정은 비교적 간단합니다. 이 별들이 갖고 있는 수소의 핵융합 반응이 모두 끝나면, 더 이상 소모할 수소가 없어지면서 빛을 내지 못하고 죽게 됩니다. 

 

   - 태양 질량의 0.4배 이상 되는 별(태양 포함)

수소를 다 써버린 이 별들은 수소가 변한 헬륨까지 핵반응 시킬 수 있는 온도를 갖고 있기 때문에, 헬륨 핵융합 반응을 다시 거치면서 자신보다 수십 배 큰 크기의 적색 거성(red giant star)으로 자라게 됩니다. 그리고 그 후에 더 이상 반응할 수 있는 헬륨이 없어지게 되면 다시 줄어들어 백색 왜성으로 죽게 됩니다. 

 

2) 질량이 중간 정도인 별 (태양의 3~9배 정도를 나타냅니다.)

이 정도 질량의 별들은 앞에서 말한 별보다 더 충분히 높은 온도를 가지고 있기 때문에 적색 거성 상태에서 수소 핵반응과 헬륨 핵반응을 거치고, 헬륨이 핵반응하여 만든 탄소까지 모두 반응시킵니다. 이때 탄소가 타는 반응이 폭발적으로 일어나면서 별은 일생을 마감하게 됩니다.. 탄소가 타며 일어나는 폭발 후 탄소와 산소로 이루어진 핵만 남는데 이 것을 백색 왜성(white dwarf)이라고 부릅니다. 백색 왜성은 처음에는 고온, 고밀도 상태이다가 그 후 질량이 가벼워지며 핵융합을 일으킬만한 온도가 되지 못하여 점차 식어가게 되고 중력에 의해 붕괴되지만 일정 수준 이상의 붕괴는 이루어지지 않고 부피를 유지할 수 있습니다. 그리고 마지막은 빛을 내지 못하는 흑색 왜성 상태(black dwarf)가 됩니다. 흑색 왜성의 부피는 백색 왜성의 부피를 그대로 유지합니다. 

 

3) 질량이 아주 큰 별 (태양의 9배 이상의 별들을 말합니다.)

엄청난 질량을 가진 이 별은 적색거성이라 하지 않고 초거성(supergiant star)라고 합니다. 그리고 이 단계에서 수소 핵반응 → 헬륨 핵반응 → 탄소 핵반응을 모두 거치고 탄소 핵융합 반응 과정에서는 철이 만들어집니다. 그러나 철은 더 이상 반응 단계를 가지지 않고,  이 단계의 별은 급격하게 수축하면서 다시 온도와 압력이 올라가게 됩니다. 그런데 이때의 온도와 압력은 우리의 상상을 초월할 정도가 되어서 엄청난 폭발이 일어나는데, 이를 '초신성(supernova) 폭발'이라고 합니다. 그리고 이 폭발로 인하여 금이나 납 같은, 철보다 무거운 원소들이 생성되며 흩어지게 됩니다.  우리가 잘 알고 있는 블랙홀(black hole)이 바로 이때 생기는 것인데 태양 질량의 30배 정도 되는 별들이 폭발하면 블랙홀이 되고 태양 질량의 15배 정도되는 별들은 고밀도의 중성자 별(neutron star)이 되어 생을 마친다고 합니다. 

 

그리고 이러한 흩어진 주재료에서 다시 분자구름이 만들어지고

다시 새로운 별들이 만들어지는데 알고보니 신기하지 않나요?

 

 

 

[네이버 지식백과] 백색왜성 (천문우주지식정보, 2010. 7. 1., 한국천문연구원)

[네이버 지식백과] 별의 일생 (상위5%로 가는 지구과학교실3, 2008. 8. 20., 신학수, 이복영, 백승용, 구자옥, 김창호, 김용완, 김승국)

[네이버 지식백과] 별의 일생 - 별의 탄생에서 죽음까지 (지구과학산책, 한국천문연구원)

[네이버 지식백과] 별의 일생 - 별은 어디에서 태어나고 어떻게 죽는가 (대단한 하늘여행, 2011. 4. 8., 윤경철)

[네이버 지식백과] 별의 탄생 (살아있는 과학 교과서, 2011. 6. 20., 홍준의, 최후남, 고현덕, 김태일)

[네이버 지식백과] 원시성 (천문우주지식정보, 2010. 7. 1., 한국천문연구원)

 

 

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[전문 용어]

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• 성운     nebula
• 분자 구름     molecular cloud
• 초신성     supernova
• 성간     interstellar
• 밀도     density
• 수축     contraction
• 원시성     protostar
• 원반     disk
• 핵융합     nuclear reaction, core fusion
• 수소     hydrogen
• 헬륨     helium
• 항성     a fixed star
• 주계열성     main sequence
• 적색 거성     red giant star
• 백색 왜성     white dwarf
• 흑색 왜성     black dwarf
• 초거성     supergiant star
• 블랙홀     black hole 
• 중성자 별     neutron star

 

 

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이해가 잘 되시나요? 이러한 내용을 처음 보신 분이라면

전부 생소한 용어들과 내용이라서 당황스러우실 수 있으실거예요.

저도 처음에는 왜 내가 이런 내용까지 알아야 될까 ... 라는 생각 참 많이 했었거든요!

그래도 어차피 알아야 할 내용들이니깐 이해되실 때까지 읽어보시고,

유튜브에 들어가서 검색하시면 다양한 사진과 내용으로 이해하기 쉽도록 만들어 놓은 영상들이 정말 많이 있어요.

꼭 참고하셔서 완전히 이해하시고 가시면 좋을 내용입니다! 

오늘도 고생하셨어요~~~!