원시별 탄생은 성간물질로 시작되며, 별의 죽음으로 다시 성간물질로 되돌아간다. 성간물질들이 구름처럼 모여 있는 곳을 성운이라 한다. 성운들 중에서 온도가 낮고 밀도가 높은 ‘암흑성운’은 원시별이 태어나기 위한 최적의 조건을 갖추고 있다


큰 별은 핵융합으로 에너지 얻어

“아시아코끼리는 하루에 약 102㎏을 먹어 치운다.” 일반적으로 덩치가 큰 동물들이 체중 유지를 위해 영양분을 계속 섭취해야 하듯이, 질량이 큰 별들은 핵융합이라는 방식으로 계속 영양분을 섭취하고 섭취한 만큼의 에너지를 방출하게 되면서 수명이 짧아지게 된다. 그러므로 별의 수명은 질량과 밀접하게 연관돼 있다. 현재의 태양은 주계열성으로 앞으로 먼 미래까지 핵융합 반응으로 빛과 열에너지를 우리에게 계속 제공해 줄 것이라는 것을 지난 시간에 강조했다.

이번 시간에는 별의 진화와 관련된 에너지의 발생이 원소의 생성에 크게 기여했으며, 이를 통해 지구와 생명의 역사가 우주의 일부분이며 서로 밀접하게 연결돼 있다는 점을 강조할 것이다.

별들은 질량에 따라 최후 달라

주계열성은 오랜 기간 동안 별 중심에서 계속되는 핵융합에 의해 헬륨(He)의 핵은 점점 늘어가고, 연료인 수소(H) 핵은 감소되면서 점점 핵융합은 일어나기 어렵게 된다. 핵융합 반응이 감소되면 중심부의 압력이 감소하게 되어 빈 페트병(PETE)을 세게 누르면 찌그러지듯이 별의 중심부는 급격히 함몰된다. 반면에 별의 광구(표면) 부분은 팽창하게 되며 별의 반지름은 급격히 증가하게 된다. 이 과정에 있는 별을 적색거성이라고 한다.

약 50억 년 전에 태어났지만 현재의 태양은 밝기가 거의 변하지 않는 안정한 주계열성이다. 하지만 먼 미래의 태양은 계속되는 수소(H) 핵융합 반응으로 만들어진 헬륨(He)이 중심부에 점점 증가하게 되어 불안정해질 것이다. 크기는 지금보다 커지고, 표면온도는 현재보다 많이 낮아지게 된다. 현재의 태양은 주계열성이지만 아주 먼 미래에 적색거성을 거쳐 생을 마감하게 된다.

반면에 질량이 태양보다 매우 큰 별의 진화 과정은 성운물질로 출발해 암흑 성운에서 원시별이 탄생하고 주계열성을 거쳐 초신성(supernova)으로 생을 마감하며 중성자별, 블랙홀, 초신성 잔해 등이 된다. 초신성은 신성(nova)보다 짧은 시간 동안에 거대한 에너지를 방출하는 별(항성)의 폭발이다. 이때 방출된 엄청난 에너지에 의해 철보다 무거운 원소들이 생성된다.

태양보다 질량이 크거나 작은 별이 생을 마감하면 불교의 교리 중에 하나인 ‘윤회(輪廻)’와 비슷한 과정을 거친다. 특히 질량이 큰 별들은 초신성으로, 우주로 방출된 초신성 잔해는 우주 공간을 떠돌다가 다른 성운과 만나며 좋은 기회에 원시별로 진화하게 될 것이다.

지구와 생명의 역사는 우주의 일부분

별의 진화 과정에서 핵융합을 일으키기 충분한 에너지가 없었다면 원소는 만들어지지 않았다. 원소의 탄생과 진화에는 ‘가벼운 원자핵들이 결합해 무거운 원자핵을 만드는 핵융합 반응’이 절대적인 역할을 했다. 이는 빅뱅에서의 발생한 엄청난 에너지와 별 중심부의 높은 온도와 압력, 초신성에 의한 엄청난 에너지 발생이 결정적인 역할을 했다.

우주의 탄생인 빅뱅은 수소와 헬륨을 만들었고, 질량이 작은 별들은 핵융합으로 가벼운 원소들을 만들었다. 별의 중심부에서는 철(Fe)까지만 생성되었으며, 철(Fe)보다 무거운 원소들은 태양보다 질량이 큰 별들의 초신성으로 생성되었다. 초신성으로 인한 강력한 에너지 방출이 없었다면 철보다 무거운 원소들은 생성되지 못했을 것이다. 이들 원소들이 바로 우리 주변의 물질을 구성하고 인간의 몸을 구성하는 기본 원소인 것이다. 이는 지구와 생명의 역사가 우주의 일부분이며 서로 밀접하게 연결되어 있다는 것이다.

◆통합과학 성취기준

이 글은 고교 1학년 학생들이 배우는 통합과학의 성취기준 중심으로 구성됐다. 이번 호는 “우주 초기의 원소들로부터 태양계의 재료이며, 생명체를 구성하는 원소들이 형성되는 과정을 통해 지구와 생명의 역사가 우주 역사의 일부분임을 해석할 수있다”는 성취 기준을 주제로 하고 있다

강신종 < 용화여고 교사 >