별은 작은 적색 왜성부터 거대한 초거대까지 매우 다양한 크기로 존재합니다. 지구 생명체의 중심인 태양은 우주에서 가장 큰 별이 되기에는 거리가 멀습니다. 일부 별은 태양보다 수백 배, 심지어 수천 배 더 커서 어떻게 그런 거대한 별이 존재할 수 있을까요? 이 블로그에서는 태양보다 큰 별이 형성되고 진화할 수 있는 요인을 탐구하여 별의 형성과 질량, 거대한 별 내부의 힘의 균형, 그리고 이 거대한 별들의 궁극적인 운명을 살펴볼 것입니다.
1. 항성 형성 및 질량: 일부 별이 태양보다 훨씬 큰 이유
별이 형성되는 과정은 분자 구름, 방대한 차가운 가스 및 먼지 영역에서 시작됩니다. 이러한 구름은 중력에 의해 붕괴되어 미래 별의 씨앗인 원시별을 형성할 수 있습니다. 별의 크기는 이 단계에서 크게 결정됩니다. 별의 질량을 결정하는 데 중요한 요소는 주변 환경에서 사용할 수 있는 물질의 양과 원시별이 이 물질을 얼마나 효율적으로 축적할 수 있는지입니다. 태양보다 질량이 큰 별, 즉 질량이 큰 별은 가스와 먼지 밀도가 높은 분자 구름의 영역에서 형성됩니다. 이 별들은 빠르게 성장하여 방대한 양의 물질을 축적하고 태양과 같은 작은 별보다 훨씬 큰 핵을 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 태양보다 훨씬 큰 베텔게우스나 리겔과 같은 별은 형성되는 동안 많은 양의 가스를 모을 수 있는 분자 구름의 밀도가 높은 영역에서 형성되었을 가능성이 높습니다. 거대한 별이 형성되는 데 있어 중요한 요소 중 하나는 분자 구름 내의 파편화입니다. 작은 구름은 여러 개의 작은 별로 조각날 수 있지만, 큰 구름은 조각이 적은 경향이 있어 개별적인 거대한 별이 형성될 수 있습니다. 또한 질량이 큰 별은 작은 별보다 빠르게 형성되므로 수소 연료를 빠르게 연소하여 별 진화의 후기 단계에 진입하여 크기가 급격히 증가할 수 있습니다. 흥미롭게도 질량이 큰 별은 작은 별보다 더 희귀합니다. 이는 형성되는 모든 질량이 큰 별에 대해 질량이 낮은 별이 더 많이 생성된다는 통계 분포인 초기 질량 함수(IMF)에 의해 설명됩니다. 즉, 질량이 큰 별은 상대적으로 드물지만 극도의 광도와 성간 매질에 대한 영향으로 인해 은하의 역학과 진화에 중요한 역할을 합니다.
2. 힘의 균형: 슈퍼자이언트는 어떻게 안정적으로 유지될까요?
거대한 별에 대한 근본적인 질문 중 하나는 거대한 크기에도 불구하고 어떻게 안정성을 유지하느냐 하는 것입니다. 어떤 별이든 중력의 안쪽 당김과 핵융합의 바깥쪽 압력이라는 두 가지 주요 힘이 작용하고 있습니다. 별의 중심부에서 일어나는 핵융합 과정은 엄청난 에너지를 생성하여 외부로 밀려 나오는 복사와 열을 생성하여 중력의 안쪽 당김에 대응합니다. 질량이 큰 별에서는 질량과 에너지 생산량이 훨씬 높기 때문에 이러한 균형이 더욱 극단적입니다. 태양보다 큰 별은 훨씬 더 빠른 속도로 핵연료를 연소합니다. 예를 들어, 파란색 초거성인 리겔과 같은 별의 중심부 온도는 태양의 중심부 온도보다 훨씬 높기 때문에 헬륨, 탄소, 산소와 같은 무거운 원소를 수명 주기의 훨씬 초기 단계에서 융합할 수 있습니다. 이 높은 중심부 온도는 더 큰 별의 더 강한 중력의 균형을 맞추는 데 필요한 복사압으로 이어집니다. 핵융합으로 인해 생성되는 외부 압력은 별이 자체 무게로 붕괴하는 것을 방지하는 역할을 합니다. 거대한 별에서는 중심핵이 극심한 압력을 받고 있으며 핵융합 반응은 매우 에너지가 높습니다. 이 에너지는 오니층을 바깥쪽으로 밀어내기 때문에 VY Canis Majoris 또는 Betelgeuse와 같은 초거대 및 초거대는 태양보다 수백 배 또는 수천 배 큰 크기로 부풀어 오를 수 있습니다. 예를 들어, 베텔게우스가 태양계의 중심에 있다면 외층은 목성 궤도 너머로 확장될 것입니다. 그러나 이 섬세한 균형은 영구적이지 않습니다. 거대한 별들은 수명 주기를 거치면서 점점 더 무거운 원소와 무거운 원소가 융합되기 시작합니다. 별이 철보다 무거운 원소를 융합하기 시작하면 융합 과정에서 더 이상 중력을 상쇄할 수 있는 충분한 에너지가 생성되지 않습니다. 이러한 불균형은 결국 별의 중심부가 붕괴되어 재앙적인 종말을 맞이할 수 있는 단계가 되며, 종종 초신성이나 블랙홀이 형성되는 경우가 많습니다.
3. 거대한 별의 운명: 초신성과 그 너머 거대한 별의 생애
마지막 단계는 우주에서 가장 극적인 사건 중 일부입니다. 태양보다 큰 별은 더 빠르고 격렬한 진화를 거쳐 종종 멋진 초신성 폭발로 이어집니다. 거대한 별은 수소와 헬륨 연료를 소진하면서 중심부에 탄소, 산소, 실리콘과 같은 무거운 원소를 융합하기 시작합니다. 결국 별은 철을 융합하기 시작하는 지점에 도달합니다. 철을 융합할 때 문제는 핵융합을 할 때 에너지를 방출하는 수소나 헬륨과 같은 가벼운 원소와 달리 철이 생성하는 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수한다는 것입니다. 그 결과 별의 중심부는 불안정해집니다. 핵융합으로 생성된 에너지가 더 이상 별의 외층에 있는 거대한 무게를 지탱할 수 없게 되면 중심부는 자체 중력에 의해 붕괴됩니다. 이 붕괴는 몇 초 만에 일어나 별의 오니층을 우주로 밀어내는 충격파를 생성하여 초신성을 생성합니다. 초신성은 매우 밝아서 때로는 은하계 전체를 능가하며 금, 철, 우라늄과 같은 무거운 원소를 우주 전체에 퍼뜨리는 역할을 합니다. 거대한 별의 중심부에서 생성된 이 원소들은 폭발 과정에서 분출되어 결국 새로운 별, 행성, 심지어 생명체 자체의 일부가 됩니다. 초신성 이후 거대한 별의 잔해는 별의 중심부 질량에 따라 다른 형태를 보일 수 있습니다. 중심부 질량이 태양 질량의 약 2.5배에 달하는 별의 경우, 잔해는 주로 중성자로 구성된 엄청나게 밀도가 높은 물체인 중성자별이 될 것입니다. 별의 중심부가 훨씬 더 무겁다면, 더 붕괴되어 빛조차 빠져나갈 수 없을 정도로 강력한 중력을 가진 물체인 블랙홀이 형성될 수 있습니다. 예를 들어, 우리 은하계에서 가장 질량이 큰 별 중 하나인 에타 카리 내는 초신성에서 생을 마감하고 블랙홀을 남길 것으로 예상됩니다. 질량이 태양의 100배가 넘는 이 별은 이미 생명체의 마지막 단계에 있으며 과거에 격렬한 분출을 보여 앞으로 다가올 폭력적인 미래를 암시합니다.