별의 최후는 질량과 진화 과정에 따라 달라진다
별의 죽음은 별이 핵융합으로 빛을 내던 긴 시기를 지나, 작은 잔해를 남기거나 물질을 우주로 흩어 보내는 마지막 진화 과정을 가리킨다. 태양 같은 별은 백색왜성을 남길 것으로 예상되며, 질량이 훨씬 큰 별에서는 중성자별이나 블랙홀이 만들어질 수 있다. 어떤 최후를 맞는지는 별의 질량과 그동안 겪은 변화에 달려 있다.
여기서 질량은 별을 이루는 물질의 양이다. 겉으로 보이는 크기인 반지름과는 구분한다. 별이 크게 부풀었다고 그만큼 많은 물질을 얻은 것은 아니며, 부푸는 동안 오히려 바깥 물질을 잃기도 한다.
핵융합이 별 내부의 열과 빛을 유지한다
태양의 중심에서는 가벼운 원자핵이 합쳐지는 핵융합이 일어난다. 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 바뀌는 과정에서 나온 에너지는 내부를 뜨겁게 유지하고, 결국 빛으로 우주에 방출된다. 별이 중심에서 수소 핵융합을 지속하는 긴 시기를 주계열 단계라고 한다.
별의 물질은 중력 때문에 안쪽으로 끌린다. 한편 뜨거운 기체와 빛은 압력을 만들며, 별 안쪽일수록 높은 압력이 바깥쪽으로 작용하는 힘을 낸다. 주계열의 별은 두 효과가 대체로 균형을 이루면서 형태를 유지한다.
중심에서 사용할 수소가 줄어들면 에너지가 만들어지는 방식과 별의 구조도 달라진다. 중심의 수소가 고갈된 뒤에도 중심 바깥의 층에서 수소가 반응하거나, 더 뜨거워진 중심에서 헬륨이 반응할 수 있다. 이후의 연료와 핵반응은 별의 질량과 진화 단계에 따라 다르다.
태양 같은 별은 외층을 잃고 뜨거운 핵을 남긴다
태양 같은 별은 중심의 수소가 고갈된 뒤 내부 구조가 달라지면서 바깥층이 크게 팽창하는 거성 단계를 거친다. 진화하는 동안 중심에서는 헬륨을 재료로 탄소와 산소가 만들어진다. 별은 바깥 물질을 우주로 내보내고, 마지막에는 작고 뜨거운 중심부를 드러낸다.
이렇게 남은 핵이 백색왜성이다. 백색왜성은 지구와 비슷한 크기에 태양과 견줄 만한 질량이 모인 매우 조밀한 천체다. 중심의 핵융합으로 새 에너지를 공급받던 시기가 끝나도 저장된 열을 내보내며 오랫동안 빛날 수 있다. 태양의 미래도 이 경로에 속할 것으로 예상된다.
태양의 미래는 여러 별과 잔해의 관측을 항성 진화 이론과 대조해 예측한다. 태양이 거성이 되고 백색왜성을 남기는 전 과정을 이미 관측한 것은 아니다.
질량이 큰 별에서는 중심핵이 붕괴할 수 있다
태양보다 훨씬 무거운 별은 중심 온도가 더 높아져 탄소와 산소보다 무거운 원소를 만드는 단계를 거칠 수 있다. 철 계열 원소가 쌓인 중심핵에서는 더 무거운 원자핵으로 합쳐지는 반응으로 에너지를 얻기 어렵다. 핵이 계속 무거워져 내부 압력으로 중력을 버티기 어려워지면 급격한 붕괴가 일어날 수 있다.
붕괴 과정에서 방출되는 에너지의 일부가 바깥층을 밀어내면 매우 밝은 폭발이 일어난다. 이를 핵붕괴 초신성이라고 한다. 바깥 물질은 우주로 퍼지고, 중심에는 훨씬 작은 잔해가 남을 수 있다. 폭발이 일어나는 세부 과정과 남는 잔해의 종류는 관측과 계산으로 연구한다.
중성자별은 원자핵을 이루는 입자 중 하나인 중성자가 매우 많은 물질로 된 조밀한 잔해다. 내부의 가장 깊은 곳에 물질이 어떤 상태로 존재하는지는 아직 연구 중이다. 남은 핵이 충분히 무겁고 붕괴가 계속되는 조건에서는 블랙홀이 만들어질 수 있다. 블랙홀에는 안쪽에서 바깥으로 빛이나 신호를 보낼 수 없는 경계가 생긴다.
남은 천체를 관측하며 서로 다른 경로를 구분한다
초신성 잔해인 게성운에서는 퍼져 나가는 물질과 빠르게 회전하는 중성자별을 관측한다. 천문학자는 잔해가 내는 빛과 움직임을 조사해 폭발 전의 별과 폭발 과정을 추적한다. 남겨진 천체는 별의 최후에 대한 설명을 실제 관측과 비교할 수 있게 한다.
별의 최후에는 처음의 질량 외에도 물질을 얼마나 잃었는지, 곁의 별과 어떤 영향을 주고받았는지가 중요하다. 서로 중력으로 묶여 도는 두 별을 쌍성이라고 하며, 가까운 쌍성에서는 한 별의 물질이 다른 별로 이동할 수 있다. 백색왜성이 쌍성 안에서 폭발적인 핵반응으로 파괴되는 Ia형 초신성도 연구한다. 이 경로는 무거운 별의 중심핵이 붕괴하는 경로와 구분한다.
- 태양 같은 별의 대표 경로 거성 단계를 거쳐 외층을 잃고 백색왜성을 남긴다.
- 훨씬 무거운 별의 대표 경로 중심핵 붕괴 뒤 조건에 따라 중성자별이나 블랙홀이 남을 수 있다.
이 두 경로는 큰 흐름을 이해하기 위한 요약이다. 모든 무거운 별이 밝은 초신성을 거쳐 같은 잔해를 남기는 것은 아니다. 별의 최후를 정확히 예측하려면 질량 하나보다 더 많은 조건을 살펴야 한다.
방출된 물질은 다음 별과 행성의 재료에 섞인다
별이 잃은 바깥 물질은 별 사이의 가스와 섞이고, 일부는 나중에 새로운 별과 행성계에 들어간다. 그 안에는 별이 처음부터 가지고 있던 원소와 내부 핵반응으로 만들어 낸 원소가 함께 들어 있다. 새 원소가 생기는 과정과 이미 있는 원소가 우주로 퍼지는 과정은 서로 구분할 수 있다.
태양계를 만든 물질에도 태양보다 앞선 천체들이 남긴 성분이 포함되어 있다. 수소처럼 초기 우주에서 유래한 성분도 있으므로 우리 주변의 모든 원소를 초신성 한 종류의 결과로 설명할 수는 없다. 별이 무엇을 남겼는지 살펴보는 일은 다음 별과 행성의 재료가 어디에서 왔는지를 알아가는 일로 이어진다.