우리 대부분은 별을 떠올릴 때 태양과 같은 밝고 일정하며 안정적인 모습을 상상합니다. 하지만 우주에는 태양보다 훨씬 더 크고 극적인 별, 즉 특별한 수명 주기를 거치고 과학에 알려진 가장 폭력적인 사건으로 끝나는 별들도 포함되어 있습니다. 이 거대한 별들 중에는 가장 거대한 별의 마지막 진화 단계를 나타내는 적색 초거성이 있습니다. 오늘은 이 거대한 별들이 어떻게 형성되고, 진화하며, 결국 그들의 화려한 종말을 맞이하는지 살펴보겠습니다.
1. 거인의 탄생: 거대한 별에서 붉은 슈퍼자이언트까지
별은 은하계의 가스 구름과 먼지 구름에서 탄생하며, 이를 항성 보육원이라고 합니다. 가스 구름이 자체 중력에 의해 붕괴되면 새로운 별이 형성됩니다. 일부 별은 가스 구름의 물질 양에 따라 성장하여 태양 질량의 10~40배에 달하는 거대한 별이 됩니다. 이 별들은 수십억 년 동안 지속될 수 있는 태양과 같은 작은 별에 비해 빠르게 살고 일찍 죽습니다. 이 거대한 별들의 생명은 핵융합을 통해 중심부에서 수소를 태우는 것으로 시작됩니다. 하지만 질량이 엄청나기 때문에 수소 연료를 엄청난 속도로 연소하는데, 보통 몇 백만 년 이내에 연소합니다. 수소가 고갈되면 중심부가 수축하고 가열되어 별이 헬륨을 융합하기 시작합니다. 이 과정으로 인해 외층이 엄청나게 팽창하고 별은 표면 온도에서 냉각되어 적색 초거대 단계에 진입합니다. 적색 초거성의 가장 잘 알려진 예 중 하나는 오리온자리에 있는 밝은 별인 베텔게우스입니다. 베텔게우스는 우리 태양의 약 1,000배 크기입니다. 태양계에서 태양을 대체한다면 태양의 바깥쪽 가장자리는 목성 궤도 너머로 뻗어 있을 것입니다! 하늘을 올려다보며 밤하늘을 지배하는 거대한 별을 본다면 베텔게우스를 놓칠 수 없을 것입니다. 그러나 그 크기와 웅장함에도 불구하고 붉은 초거성으로서의 베텔게우스의 삶은 진화의 짧은 단계에 불과합니다.
2. 가장자리에 사는 삶: 적색 초거대의 불안정성과 대량 손실
별은 일단 적색 초거성이 되면 생애 마지막 단계에 있습니다. 멀리서 보면 평화로워 보일 수 있지만 내부에서는 별이 안정적이지 않습니다. 이 단계에서 별의 중심부는 계속 수축하고 가열되어 탄소와 산소와 같은 더 무거운 원소를 융합할 수 있습니다. 동시에 외층은 점점 더 불안정해집니다. 적색 초거성의 특징 중 하나는 질량을 잃는 경향이 있다는 것입니다. 이 별들의 거대한 외층은 중력에 느슨하게 고정되어 있을 뿐이며, 별이 펄스를 일으키고 팽창함에 따라 강력한 항성풍으로 물질을 방출합니다. 알려진 가장 큰 적색 초거성 중 하나인 큰 개자리 대자리 별은 가스와 먼지 성운으로 둘러싸여 있을 정도로 많은 물질을 방출했습니다. 이러한 질량 감소는 극단적일 수 있으며, 일부 적색 초거성은 10,000년마다 태양 질량(우리 태양 질량) 1개씩 손실됩니다. 이러한 질량 감소가 매력적인 이유는 별의 최종 운명에 어떤 영향을 미치는지입니다. 적색 초거성이 충분한 질량을 잃으면 예상보다 덜 극적으로 수명이 끝날 수 있습니다. 실제로 초신성 폭발로 인해 폭발할 것으로 예상되는 일부 별은 충분한 물질을 잃으면 조용히 백색 왜성으로 붕괴할 수 있습니다. 그러나 대부분의 적색 초거성에게 질량 감소는 곧 화려한 종말의 서막일 뿐이며, 자세한 내용은 다음과 같습니다. 적색 초거성이 방출하는 물질은 우주 재활용 과정에서 중요한 역할을 합니다. 적색 초거성이 바깥층을 벗어났을 때 탄소, 질소, 산소와 같은 무거운 원소로 주변 공간을 풍요롭게 합니다. 이러한 원소는 행성과 생명체 자체를 구성하는 요소입니다. 어떤 면에서 적색 초거성의 죽음은 새로운 별과 행성이 남긴 물질로부터 형성될 수 있는 발판을 마련합니다.
3. 극적인 결말: 초신성과 중성자별 또는 블랙홀의 탄생
적색 초거성은 중심부에 무거운 원소를 계속 융합하면서 결국 철이 형성되기 시작하는 지점에 도달합니다. 여기서 일이 흥미로워집니다. 가벼운 원소와 달리 철 융합은 에너지를 생성하지 않고 에너지를 흡수합니다. 이로 인해 별의 중심부가 치명적으로 붕괴되어 초신성으로 알려진 강력한 폭발이 발생합니다. 초신성은 우주에서 가장 밝고 에너지가 넘치는 사건 중 하나입니다. 적색 초거성이 초신성으로 변하면 은하계 전체를 잠시 능가합니다. 이 폭발은 별의 오니층을 우주로 방출하여 초신성 잔해라고 불리는 가스와 먼지의 화려한 구름을 만듭니다. 초신성 잔해의 유명한 예 중 하나는 서기 1054년 중국 천문학자들이 관측한 초신성 폭발의 결과인 게자리 성운입니다. 하지만 폭발 후 적색 초거성의 핵은 어떻게 될까요? 이는 핵의 질량에 따라 달라집니다. 남은 핵이 태양 질량의 약 3배 미만이면 중성자별로 붕괴될 것이며, 양성자와 전자가 합쳐져 중성자를 형성한 매우 밀도가 높은 물체입니다. 중성자별은 매우 밀도가 높기 때문에 물질의 티스푼 하나의 무게가 수십억 톤에 달합니다! 하지만 중심부가 더 무겁다면 중력이 중성자별의 저항을 압도하고 중심부는 빛조차 빠져나올 수 없을 정도로 중력이 강한 블랙홀로 붕괴됩니다. 적색 초거성이 중성자별이 될지 블랙홀이 될지에 대한 정확한 세부 사항은 초신성 이전에 얼마나 많은 질량을 방출했는지에 따라 달라집니다. 예를 들어 베텔게우스는 향후 10만 년 내에 천문학적인 순간에 초신성으로 폭발할 가능성이 높습니다. 중성자별을 남길지 블랙홀을 남길지 여부는 향후 몇 세기 동안 얼마나 많은 물질을 방출할지에 따라 달라집니다. 폭발할 때는 지구에서 볼 수 있는 우주 사건으로, 별의 수명 주기의 마지막 단계를 드물게 엿볼 수 있습니다.