태양계 행성들의 어머니 별 : 태양 (하) - 태양의 일생

태양계 행성들의 어머니 별 : 태양 (하) - 태양의 일생

태양의-탄생과-진화

태양은 어떻게 탄생하였고 앞으로 어떻게 진화할 것인가? 태양의 물리량에 대해서 지난 포스팅에서 다루었는데 태양은 어떤 방식으로 탄생했고 행성들을 거느리게 되었는지 알아보자.

 

별의 탄생은 거대 성운에서 형성되었다는 것이 현재 과학기술에서 정설로 받아들여지고 있고, 거대 성운에서  어린 별이 탄생하는 모습이 2008년부터 포착되기 시작했다. 그를 근거로 별이 어떤 식으로 탄생하고 진화하고 소멸하는지 연구가 계속되고 있다.

 

태양도 마찬가지로 우주의 가스와 먼지들이 모여있는 차가운 곳에서 형성되었을 것으로 보고 있고, 태양이 탄생하면서 남은 잔해들이 행성들을 만들었기 때문에 행성들이 가지고 있는 원소들 즉, 금, 우라늄, 철 등이 이미 존재하는 상태에서 만들어진 별이 태양이다.

 

우주 초창기에는 빅뱅 이후 수소와 헬륨까지 원소가 만들어지고, 이후에는 우주고 꾸준히 식어서 더 이상 새로운 원소를 만들 수 없는 온도가 되어 우주 전체적으로 수소와 헬륨이 3:1의 질량비를 이루고 있었다.

그런 가스들이 모여있던 곳에서 가스들의 서로를 끌어당기면서 뭉쳐지고 거대한 성운의 형태로 변화했는데 그 중심에서 최초의 별이 탄생하게 된다. 지금까지 확인된 최초의 별은 빅뱅 후 2억 년 정도에 최초의 별이 탄생하였는데 우리는 그런 별들을 1세대 별이라고 부른다. (항성의 종족 3 : 금속이 없는 별)

 

수소와 헬륨이 이외의 원소가 만들어지기 어려웠던 이유가 빅뱅직 후 우주가 꾸준히 팽창하면서 우주의 온도와 밀도가 내려가고 압력도 계속 내려가게 되어 새로운 원소가 만들어지기 어려웠으나 1세대 별의 내부에서는 지금의 태양보다도 훨씬 뜨겁고 압력이 높아 헬륨 이후의 원소들이 만들어지기 시작했고, 별의 일생동안 안정적인 원소인 철까지 형성된 후 죽음에 이른다. 별이 폭발할 때는 더 큰 압력이 순간적으로 방출되기 때문에 철보다 무거운 금이나 우라늄등의 원소들도 다수 만들어지면서 우주 곳곳으로 퍼져나가게 되었다.

 

1세대 별은 대체로 태양보다 1000만 배는 밝고, 100배 이상 무겁고, 20배 이상 밝았을 것으로 추정하지만, 초창기의 별 중에도 작은 별이 있었을 것이라고 지금의 기술에서는 파악하고 있다. 대다수가 무거운 별이었기 때문에 1세대 별은 수명이 대체로 짧았을 것으로 예상한다.

 

크고 무거운 별일 수록 수소의 소모가 빠르기 때문에 수명이 매우 짧아지는데, 빅뱅 후 92억 년쯤에 태양이 탄생했고 빅뱅 후 2억 년쯤 최초의 별이 탄생한 것으로 보이니 약 90 억년 간 수많은 별들이 우주 곳곳에서 동시다발적으로 탄생하고 폭발하고 다시 그 잔해들 사이에서 새로운 별들이 탄생하고 죽는 과정을 거듭한 결과 금속을 조금 포함하고 있는 2세대 별 (항성의 종족 2 : 금속이 조금 포함된 별)이 또다시 탄생과 죽음을 반복한다.

 

그 결과 상당히 금속이 많은 먼지구름이 형성되었고 그 안에서 원시태양이 탄생하게 되었다. 태양은 3세대 별로 항성의 종족 1에 해당한다. 금속이 많이 포함되어 있는 별로 젊은 별들이 이에 속하고, 금속이 포함되어 있기 때문에 질량이 높아 초창기 별보다 상대적으로 적은 양으로도 별을 만들 수 있어서 초창기 별보다 훨씬 작은 별들이 탄생할 수 있었다. 거대 성운의 중심부에서 태양이 탄생하고, 태양 주변을 돌던 먼지구름들이 뭉쳐서 행성들이 탄생했다.

 

태양은 적당히 작은 별이기 때문에 수명이 충분히 길어서 생명체가 진화할 수 있는 여유를 충분히 제공했고 3세대 별이기 때문에 충분한 금속이 포함되어 있어 단단한 행성들이 존재하고 지구처럼 암석과 풍부한 금속과 물, 대기가 존재하고 생명체와 같은 고분자 물질이 존재하는 행성을 거느릴 수 있었다. 생명체 역시 우주의 별 속에서 만들어진 원자들로 구성되었다.

 

초창기 별들은 크기도 크고 너무 뜨거워서 생명체가 진화할 수 있는 시간적인 여유도 없었고 충분한 금속이 없어서 지구와 같이 단단한 행성도 존재하지 않았을 것이다. 앞으로 탄생하는 별들이나 지구와 비슷한 시기에 탄생한 별들에는 지구와 비슷한 환경을 가진 행성이 존재하지 할 수 있을 것으로 보고 있고 비슷한 항성을 찾는 탐사는 계속되고 있다.

 

별의 탄생도 포착되었듯이 별의 죽음도 포착되고 있는데, 그것으로 태양의 미래도 예측할 수 있다. 별은 핵융합 원료를 전부 소진하게 되면 더 이상 핵융합이 되지 않아 중심부가 수축하여 다음단계의 핵융합을 하게 되고 표면은 중력으로 잡아둘 수가 없는 상태이기 때문에 부풀어올라 거성이 된다.

 

헬륨의 핵융합도 끝이 나면 탄소의 핵융합이 시작되는데 그때 또다시 중심핵은 수축하고 중력이 낮아져 표면층이 또 한 번 팽창하게 된다. 거성의  크기에 따라 초거성, 적생거성 등으로 불린다. 주계열성이었을 때의 크기에 따라 단계는 더 세분화되는데 초거성에서 다음단계의 핵융합을 계속하다 철까지 만들어지면 초신성 폭발, 블랙홀 또는 중성자별, 크기가 태양만 하거나 태양보다 조금 큰 별의 경우 백생왜성, 행성상 성운 등으로 생을 마감하게 된다.

 

생을 마감하기 전에 적색거성이나 초거성의 단계까지 부풀어 오르기 때문에 주계열성 당시에 거느리고 있던 행성들을 흡수하면서 별의 폭발을 준비하는데, 행성이 흡수되는 모습도 포착이 되었다.

 

태양은 앞으로 79 억년 간 핵융합을 지속할 수 있는 별이다. 질량이 큰 주계열성이 아니기 때문에 철까지 만들 수 없고 탄소까지도 태우지 못한다. 결국 헬륨을 전부 태우고 탄소까지 만들고 나서야 생을 마감할 것으로 보인다.

 

앞선 포스팅에서 말한 것처럼 태양과 가까운 별들을 흡수하면서 계속 커지고 더 밝아지면서 태양이 123억 살 정도 수명이 다하면서 태양계가 가지고 있던 대부분의 질량을 잃어가고 성운만이 남아있을 것이고 중심부는 계속 수축해서 지구정도 크기의 백색왜성으로 남을 것이다. 백색왜성은 스스로 빛을 내는 천체는 아니지만 남아있는 열과 빛을 한동안 방출한다.

 

이제 질량의 대부분을 잃고 스스로 에너지를 만들어내지 못하는 백색왜성이 된 태양은 행성들을 지배할 수 있는 힘이 없어지게 된다. 태양의 죽음에 휘말리지 않은 멀리 있는 행성들이나 천체들은 태양에너지를 더 이상 받을 수 없어 얼음과 암흑의 행성이 되어 중력의 영향을 벗어나 은하를 떠돌다가 다른 블랙홀에 빨려 들어갈 것이다.

 

백색왜성 상태에서 별이 파괴되지 않고 유지한다면 남아있던 열과 빛을 방출하던 것 마저 모두 소진되어 아무런 빛도 열도 없는 흑색왜성 상태가 된다. 흑색왜성에서도 블랙홀에 흡수당하지 않고 유지가 된다면, 양성자 붕괴의 가능성이 있다, 양성자 붕괴가 있다면 에너지를 방출하다가 질량을 소모해서 소멸할 것이고, 양성자 붕괴가 없다면 구성 원소들이 양자 터널링으로 융합되어 서서히 압축된 뒤 철별을 거쳐 블랙홀이 될 것이고 이후에 호킹복사로 소멸하게 된다.