우주 이야기 55 - 별의 최후 2

 3. 태양 질량의 8 배 이상인 별 (무거운 별) 의 최후

 태양 질량의 8 배 정도 되는 질량의 거대 항성은 중심부의 강한 중력과 온도로 인해 수소와 헬륨은 물론 탄소나 그 보다 무거운 원소를 연료로 핵융합 반응을 일으킬 수 있다. 이것은 중심부의 온도와 압력이 매우 높기 때문인데 이로 인해 핵융합 반응 속도도 매우 빨라서 오히려 질량이 큰 별일 수록 그 수명이
짧다. 

 이런 별들은 그 표면 온도가 매우 높으며 분광형으로 볼 때 대개 O 형이나 B 형으로 보이게 된다. 이런 별들은 O-B 성협을 이루어 집단으로 존재하기도 한다. (O,B 형 항성 및 OB 성협에 대해서는 이전 포스팅 참조 http://blog.naver.com/jjy0501/100094861958 ) 

 최후가 가까워지면 거대 질량 별들도 거성이 된다. 특히 태양 질량의 10 배 이상 되는 별들은 초거신성 (Supergiant) 로 진화 한다. 여기에는 거의 말기 상태로 표면 크게 부풀어 오르면서 표면 온도가 떨어진 적색 초거성 (Red Supergiant) 과 아직 그 단계에는 이르지 않았지만 좀 더 큰 질량으로 아주 높은 온도로 빛나는 청색 초거성 (Blue Supergiant), 그리고 대단히 큰 질량의 극대 거성 (Hypergiant) 들이 있다. (거대 항성에 대한 포스팅은 O/B 형 항성 포스트 및  포스팅 참조  http://blog.naver.com/jjy0501/100084323902) 아래 HR 도표 참조를 참조  

(태양 질량의 15.5 배 정도 크기의 적색 초거성 안타레스. 거대하게 부풀어 올라 그 지름이 화성의 공전 궤도보다 크다. 대략 태양 지름의 800 배라고 생각된다.  This work has been released into the public domain by its author, Sakurambo at the wikipedia project. This applies worldwide.)

(HR 도표. 한축에는 분광형 (spectral type) 색지수 (Colour (B-V)), 혹은 온도 (Temperature), 를 표시하고 다른 축에는 절대 등급 (Absolute magnitude) 와  광도 (Luminosity) 를 표시해서 상대적인 상관관계를 표시한다   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시  저자 Richard Powell  minor adjustments by:penubag)

 대략 태양 질량의 8 배에서 25 배 이르는 별들은 수천만년 정도 강하게 연소되다가 중심부에 수소와 헬륨이 고갈되기 시작한다. 앞서 이야기 한데로 태양 질량의 8 배 이하인 별들은 헬륨 까지 밖에 연소할 수 없지만 그 이상 질량 별에서는 중심부에서 탄소의 연소가 시작된다. 

 탄소가 연소되면서 거성 내부에는 철까지 일련의 항성 핵합성 (Stellar Nucleosynthesis) 이 순차적으로 진행된다. 이를 소개하면 

 수소 핵융합 반응 : 양성자 - 양성자 연쇄 반응 (Proton - Proton chain reaction)

                             CNO cycle

                          :  수소가 연소되어 헬륨 발생 

 헬륨 핵융합 반응 : Triple alpha process

                             Alpha process

                           : 헬륨이 연소되어 탄소 생성

 그리고 탄소, 산소, 네온, 실리콘 연소 과정 

 : 

  을 통해 철보다 (Fe) 가벼운 원소들이 모두 합성된다. 이런 원소들은 무거운 원소일 수록 밀도로 인해 아래로 깔려서 중심부로 가게 되며 별 내부 중심에는 원소들 별로 층을 이루어 마치 양파 껍질 같은 상태가 된다. 각 층은 계속 연소되며 보다 무거운 원소를 만들고 이렇게 생성된 원소는 다시 아래층으로 내려간다. 

(무거운 별의 내부에서 핵융합이 이루어지는 메카니즘. This work has been released into the public domain by its author, Uber nemo at the English Wikipedia project. This applies worldwide. )

 이 과정은 철에서 멈출 수 밖에 없다. 철보다 무거운 물질은 합성 되면서 에너지를 내놓는게 아니라 소모하기 때문이다. (iron peak) 별은 일생동안 자체의 중력으로 인해 중심부로 뭉치려는 힘이 있다고 앞서 설명했다. 그러나 별의 일생 동안 핵융합 반응에 의해 중력 붕괴를 피할 수 있다. 철 전까지는 핵융합 반응 과정에서 내놓는 에너지로 인해 팽창력이 생겨 중력의 힘을 상쇄하기 때문이다. 

 따라서 철이 생성되는 순간 불과 수초만에 이 거대한 항성은 중심으로 붕괴된다. 그리고 순간적으로 압축되면서 생기는 에너지로 폭발한다. 사실 철은 별의 입장에서 보면 맹독성 물질이나 다름없다. 생성되는 순간 별은 폭발할 수 밖에 없기 때문이다. 이 폭발은 초신성 폭발이라 부르며 다음 시간에 이야기 할 것이다.