시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (8) 태양의 자매들

시간과 공간을 초월한 빅 히스토리 코스모스 (8)

 태양의 자매들

 

별의 폭발

태양보다 100배 무거운 별이 폭발한다면

별의 종류는 다양합니다. 어떤 건 태양처럼 밝고 어떤 건 어둡습니다. 가장 큰 별들의 크기는 가장 작은 별들의 천만 배에 달합니다. 100억 살이 넘은 별들이 있는가 하면... 이 순간 새롭게 태어나는 별도 있습니다. 별은 성간 구름의 가스와 먼지로부터 여러 개가 함께 태어납니다. 같이 태어난 별들의 질량은 그리 크지 않은 것에서부터 태양을 초라해 보이게 하는 초거성까지 다양합니다.

지구에 사는 우리는 하나의 태양이 뜨는 광경에 감탄합니다. 하지만 머나먼 구상 성단의 별을 공전하는 행성에는 그보다 더 찬란한 여명이 기다립니다. 하나의 태양이 아니라... 은하가 떠오릅니다. 2천억 개의 태양이 밝히는 아침입니다. 그 거대한 나선형 속에는 붕괴하는 가스 구름, 응결하는 행성계, 눈부신 초거성, 태양, 적색 거성, 백색 왜성, 행성상 성운, 초신성, 중성자 별 펄서, 블랙홀은 물론이고 우리가 아직 발견 못한 낯선 물체도 있을 겁니다. 은하수 위로 높이 솟은 그 세상에선 지금 우리가 깨닫기 시작한 사실이 분명하게 보일 겁니다.

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태양의 팽창과 붕괴

- 100배 커진 적색 거성에서 1/100로 줄어든 백색왜성으로

지금부터 40~50억 년 후, 태양이 핵연료를 다 쓰면 태양의 가스는 식고 압력은 떨어집니다. 태양 내부가 외부 층의 무게를 더 이상 지탱하지 못하고 처음처럼 붕괴가 재개됩니다. 핵에는 100억 년에 걸친 수소 융합의 잔해인 헬륨이 쌓여 있습니다. 불길을 잃은 핵은 붕괴하다가 결국 헬륨을 융합할 정도로 뜨거워져서 탄소와 산소를 만듭니다. 태양의 핵은 전보다 훨씬 뜨겁고 대기는 급속도로 팽창합니다. 다음 10억 년에 걸쳐 태양은 원래 크기의 100배가 넘게 부풀며 적색 거성이 됩니다. 적색 거성은 행성들을 집어삼킵니다. 수성부터... 금성, 어쩌면 지구도 빨려 들어갈 겁니다.

태양이 헬륨을 다 태우면 극도로 불안정해져서 외부 층을 우주로 방출합니다. 노출된 뜨거운 핵은 고에너지의 자외선을 주위에 쏟아냅니다. 원자들은 격렬하고 현란한 춤을 춥니다. 태양은 힘없이 붕괴하며 크기가 1/100로 줄어 지구만큼 작아집니다. 태양의 밀도는 극도로 높아져 전자들은 서로를 밀치며 더 이상의 수축을 막습니다. 결국 남는 건 빛을 내는 태양 중심부뿐입니다. 백색 왜성은 이후로도 천억 년 동안 희미하게 빛날 겁니다. 태양의 잔해 곁을 지나는 머나먼 미래의 생명체들은 한때 저 별이 비췄던 세상과 생명을 알 수 있을까요?

초신성 폭발, 오리온자리의 리겔

- 초거성에서 중심핵만 남은 작은 중성자별 ‘펄서’로

평범한 별들의 화려한 수의는 오래가지 않습니다. 수만 년 정도 지속되다가 성간 가스와 먼지로 흩어집니다. 거기서 새 별들이 태어납니다. 쌍성계 별들의 운명은 다를 수 있습니다. 밤하늘의 가장 밝은 별인 시리우스에겐 희미한 짝별이 있습니다. 한때 태양 같은 별이었던 백색 왜성입니다. 언젠가 시리우스가 연료를 다 쓰고 적색 거성이 되면 자신의 물질을 백색 왜성으로 흘려 보낼 겁니다. 짝별의 강한 중력이 소용돌이치는 원반으로 그 가스를 끌어당깁니다. 거대한 별에서 나온 가스가 백색 왜성 표면에 떨어지면 핵폭발이 일어납니다. 그 엄청난 폭발은 태양보다 10만 배 많은 에너지를 뿜어냅니다. 그렇게 폭발하는 별을 신성(노바, NOVA)이라고 합니다. 라틴어로 새롭다는 뜻입니다.

질량이 태양의 15배쯤 되는 별... 예를 들어, 오리온자리의 청색 초거성인 리겔(rigel)은 운명이 다릅니다. 리겔의 붕괴는 전자의 압력 때문에 중단되지 않습니다. 별은 계속해서 무너질 겁니다. 원자핵들은 비좁은 공간에서 서로를 밀어내고 리겔은 약 10만 배까지 줄어들 겁니다. 원자핵 간에 남은 공간이 없어 더 이상 수축하지 못할 때까지 줄어듭니다. 그럼 훨씬 더 강력한 핵반응이 일어납니다. 바로 '초신성'입니다. 항성 진화엔 수백만에서 수십억 년이 걸리지만 초신성 폭발을 일으키는 내부 붕괴는 몇 초 안 걸립니다. 남는 건... 작은 도시 크기의 중심핵뿐입니다. 빠르게 회전하는 중성자별인 '펄서(pulsar)'입니다.

시공의 경계를 건너는 별, 오리온자리의 '알닐람'

- 중력으로 블랙홀이 될 운명

몇 백만 년 후 오리온자리의 '알닐람(Alnilam)'은 연료가 바닥나고 초신성이 됩니다. 질량이 태양의 30배쯤 되는 알닐람의 붕괴를 막을 수 있는 것은 없습니다. 폭발하는 알닐람의 핵은 핵력조차 그 붕괴를 막을 수 없을 정도로 질량이 어마어마합니다. 그 중력을 견딜 수 있는 건 없습니다. 이런 별에겐 놀라운 운명이 기다립니다. 별은 붕괴를 계속하며 '사건 지평선'이라는 시공의 경계를 건넙니다. 우린 그 너머를 볼 수 없습니다. 경계를 넘어가면 별은 시야에서 완전히 사라집니다. 별은 블랙홀 안에 있습니다. 빛조차 빠져나올 수 없을 정도로 중력이 강력한 곳입니다.

극초신성 폭발, ‘용골자리 에타’

- 태양의 500만 배에 달하는 빛을 쏟아내 별

7500광년 떨어진 우리 은하계 저편에는 상상을 초월하는 규모의 격변의 장소가 있습니다. 바로 '용골자리 성운'입니다. 직경이 50광년에 이르는 이곳에서 태어난 거대한 별들은 격렬한 자외선 복사로 주위의 가스와 먼지를 태웁니다. 질량이 큰 별이 죽으면 폭발하며 산산조각이 납니다. 광활한 공간으로 나아가는 그 물질을 별빛이 자극하고 중력이 끌어 모읍니다. 별은 먼지가 되고 먼지는 별이 됩니다. 코스모스에서 버려지는 건 없습니다.

17세기에 에드먼드 핼리가 적도를 넘어가 남반구 별자리표를 만들었을 때 '용골자리 에타'는 희미한 별이었습니다. 하지만 1843년 갑자기 밝아져 시리우스에 이어 두 번째로 밝은 항성이 됩니다. 그 이후로 밝기가 계속 변해 왔습니다.

용골자리 에타의 질량은 태양의 최소 100배, 그리고 태양의 500만 배에 달하는 빛을 쏟아내고 있습니다. 항성이 이를 수 있는 한계에 도달한 것입니다. 초대질량 별의 핵은 엄청난 양의 빛을 뿜어내 밖으로 향하는 압력이 별의 중력을 능가할 수 있습니다. 별의 질량이 너무 크면 복사압이 중력을 압도해 별이 폭발합니다. 용골자리 에타의 운명은 태어날 때부터 정해졌습니다. 어쩌면 그 별은 벌써 폭발했을지도 모릅니다. 우린 7500년 전에 떠나 온 빛으로 그 별을 보기 때문입니다. 그 폭발은 우리가 본 적이 없는 규모일 겁니다. 바로 '극초신성'입니다. 극초신성 폭발에 비하면 초신성 폭발은 폭죽이 터지는 수준입니다. 극초신성 폭발이 일어나면 근처의 태양계 수천 개가 초토화될 겁니다. 그럼 지구의 운명은 어떻게 될까요?

* 본 포스팅은 내셔널지오그래픽 채널의 제공으로 네이버캐스트(오늘의 과학 - 다큐사이언스)와 함께 연재되며, 사이언스북스 블로그에는 일부 내용이 추가되어 있습니다. 

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글·영상/사진 제공 : 내셔널지오그래픽채널 http://www.ngckorea.com  

[관련 방송] 내셔널지오그래픽채널 “시간과 공간을 초월한 빅 히스토리, 코스모스 8부. 깨끗한 방”

2014년 5월 3일 토요일 밤 11시 방송(매주 토요일 밤 11시 방송)

1980년, 전 세계 7억 5천만 명의 시청자를 열광시킨 칼 세이건의 [코스모스]. 2014년, 내셔널지오그래픽채널에서 더욱 화려하게 부활한다. 총 제작비 450억, 총 에피소드 13편, 전 세계 180개국 동시 방송! 과거에도 있었고, 현재에도 있으며, 미래에도 있을 그 모든 것!