[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(4)] 별의 진화(상)

별 사이에 있는 기체와 입자가 뭉쳐서 원시별이 탄생
"스스로 빛을 내면 항성, 항성을 돌면 행성이라 해요

지난 시간에 빅뱅(big bang)에 의해 수소와 헬륨 원자핵이 생성된 것을 배웠다. 이후 시간이 한참 지나서 중성인 원자들이 만들어졌고, 별의 진화 과정에서 별 내부에서 핵융합을 통해 가벼운 원소들이 생성됐다는 점도 배웠다. 초신성의 결과물로 철(Fe)보다 무거운 원소가 만들어지는 원소의 진화 과정도 설명했다. 이번 시간에는 별의 진화 과정과 연결해 원소들의 생성 과정을 알아보려 한다.

항성·행성·위성의 차이

태양(sun)처럼 스스로 빛을 내는 천체를 항성이라 한다. 스스로 빛을 내진 못하지만 항성의 주위를 도는 지구(earth)를 행성(planet), 행성의 인력에 끌려 주위를 도는 달(moon)을 위성(satellite)이라고 부른다. 따라서 우리가 말하는 별(star)은 항성을 일컫는다. 몇 가지 용어를 더 알아보자.

성(星)은 별, 간(間)은 사이를 뜻하는 한자다. 별과 별 사이의 공간에 존재하는 기체와 티끌 같은 것을 모두 성간물질이라고 한다. 성간물질은 기체 99%와 내화성 규산염이나 흑연 같은 것이 얼음에 덮여 있는 미세한 고체 입자인 티끌 1%로 구성돼 있다.

성간물질은 원시별 탄생의 출발점이며, 별이 탄생될 수 있는 재료가 된다. 또한 수명이 끝난 별은 성간물질로 다시 돌아간다. 성운에서 운(雲)은 ‘구름’의 뜻을 갖는 한자다. 따라서 성운(星雲)은 성간물질이 많이 모여서 구름처럼 보이는 것을 말한다.

별은 은하에서 계속 태어나

산란(scattering)도 알아둬야 한다. 산란은 ‘한쪽 방향으로 진행되는 파가 물체에 부딪쳐 운동 방향을 바꾸고 흩어지는 것’을 말한다. 어떤 성운은 별에서 나온 빛 중에서 가시광선을 산란시킨다. 이렇게 별빛이 산란돼 파란색으로 밝게 보이면 ‘반사 성운’이라고 한다.

암흑성운은 반대다. 주변의 빛을 흡수해 가시광선 영역의 빛을 방출하지 않는다. 파장이 긴 적외선 영역에서 관측된다. 낮은 온도와 성간물질인 기체와 티끌이 고밀도로 밀집된 암흑성운은 원시별이 탄생하기에 가장 좋은 조건을 갖추고 있다. 우리 은하의 나선팔 부분에 암흑성운이 많다. 지금도 우리 은하의 나선팔 부분에서는 새로운 원시별이 계속 태어나고 있다.

별은 어떻게 만들어질까? “성운의 중심부로 많은 물질이 모일수록 중력은 더욱 커지고, 이에 따라 더 많은 물질을 끌어들여 수축한다. 이때 중력에 의한 물질의 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀐다. 이 과정에서 에너지의 일부가 별의 중심부 온도를 높이고, 일부는 복사돼 외부로 방출된다. 중심부 온도가 상승함에 따라 기체의 압력이 높아지면 중력에 의한 수축은 서서히 약해지고, 기체압과 중력 수축이 평형을 이루는 상태가 되면서 둥근 모양을 갖게 되며 크기가 일정하게 유지된다.”

무거운 원자핵으로 바꾸는 핵융합

주계열(主系列)은 ‘HR도(헤르츠스프룽-러셀도표)에서 온도가 높아질수록 더욱 밝아지는 한 무리의 별’이다. 그러므로 주계열성은 ‘온도가 높아질수록 밝아지는 별’이라 해석하면 된다. 현재의 태양은 주계열성에 속하며 앞으로도 50억 년 이상 주계열성으로 존재하게 될 것이다.

핵융합은 ‘플라즈마 상태에서 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 변화는 화학 반응’이다. 태양의 중심부에서 수소원자 핵들이 핵융합 반응에 의해 헬륨원자 핵으로 변하는 화학 반응이 계속 일어나고 이로 인해 질량은 계속 줄어들게 된다. 이때 핵융합 반응에 의해 감소한 질량만큼 빛과 열에너지를 방출하게 된다.

우리가 말하는 원자력 발전은 핵분열 과정에서 얻는 에너지를 말한다. 하지만 현재까지 핵융합으로는 에너지를 얻지 못하고 있다. 인류는 계속 핵융합으로 에너지를 얻는 방법을 탐구 중이다. 다음 시간에는 별의 죽음으로 무거운 원소들이 생성되는 과정을 살펴보자.

◆통합과학 성취기준2

우주 초기에 원소들이 생겼다. 이것에서 태양계의 재료와 생명체를 구성하는 원소들이 형성됐다. 이런 과정을 통해 지구와 생명의 역사가 우주 역사의 일부분임을 해석할 수 있다.

강신종 < 용화여고 교사 >