안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 성간 물질과 별의 탄생 과정에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

은하와 별의 형성

은하와 별은 어떻게 형성되었으며, 어떻게 분포하고 있을까요? 우주를 거시적으로 바라보면 물질이 고르게 분포합니다. 하지만 우주에서 은하와 별이 만들어지려면 상대적으로 물질이 많이 모인 지점이 있어야 하므로, 만일 우주의 물질이 완벽하게 고르게 분포했더라면 은하와 별은 물론 우리 인간도 존재하지 못했을 겁니다. 따라서 우주의 특정 한 곳을 주목해서 본다면 상대적으로 밀도가 높은 곳이 있겠죠. 약 137억 년 전에 우주는 빅뱅을 시작으로 오랜 시간에 걸쳐 팽창하고 냉각되면서 현재와 같은 우주가 되었습니다. 허블 법칙, 우주 배경 복사, 수소와 헬륨의 질량비 등의 관측 사실들은 빅뱅 우주론을 뒷받침합니다. 빅뱅 이후 약 38만 년이 지나고 나서 빛은 물질로부터 탈출해 우주 전체로 퍼져 나갔지요. 빅뱅의 결과로 만들어진 우주 배경 복사는 탈출 당시의 물질 분포에 대한 정보를 담고 있습니다. 우주 배경 복사 관측 자료의 분석에 따르면 빛이 물질로부터 분리된 당시 물질의 밀도 분포는 완전히 균질한 상태와 비교했을 때 수십만 분의 1 정도의 미세한 차이가 있었죠. 바로 이러한 미세한 밀도 분포의 차이가 시간이 지나면서 조금씩 커지게 되어 궁극적으로 은하와 별이 만든 것입니다.

별이 탄생하기까지

우주가 팽창해 온도가 낮아지면서 기체 입자들이 움직이는 속도가 느려지자 기체 입자들이 밀도가 높은 지점 쪽으로 모이기 시작했습니다. 하지만 빅뱅에 의해 만들어진 밀도의 차이는 너무나 작아서 별과 은하를 만들 만큼의 물질을 한곳으로 모으는 데 수억 년에 가까운 시간이 걸렸죠. 우주는 태어난 지 수억 년의 시간이 흐르고 나서야 은하와 별이라는 구조물을 만들기 시작한 셈입니다.

성간 물질과 성간운

별들 사이의 넓은 공간에 매우 희박하게 존재하는 물질을 성간 물질이라고 일컫습니다. 별과 별 사이에 존재하는 기체와 티끌의 집합체인 성간 물질은 98%의 수소·헬륨 기체와 2%의 먼지로 구성되어 있죠. 성간 물질은 대개 온도가 매우 낮으며 아주 넓게 퍼져 있답니다. 성간 물질 중에서 자체 중력에 의해 덩어리를 형성할 정도로 밀도가 큰 경우를 성간운이라고 합니다.

저온 성간운이 원시별을 만들다.

온도가 높으면 높은 열에너지로 기체 분자의 운동이 활발하여 응집이 되지 않기 때문에 별은 절대 온도 10K(켈빈) 정도의 저온 성간운에서 탄생합니다. 밀도가 높은 저온의 성간운이 자체의 중력에 의해 한 곳으로 모여 수축하면 중심에 밀도와 온도가 아주 높은 작은 기체 원반 내지 구를 형성하게 되어 스스로 빛을 내게 되는데 이를 원시별이라고 합니다.

수소 핵융합 반응을 통해 별이 되다.

원시별의 중심부가 계속 수축하면 기체 입자들의 위치 에너지가 열에너지로 바뀌면서 막대한 열이 발생하고 중심부의 온도를 높이게 됩니다. 중심부의 온도가 계속 상승해 절대 온도 약 천만 K(켈빈)에 이르면 수소 핵융합 반응이 일어나는데요. 수소 핵융합 반응이 일어나는 순간부터 중력 수축은 비로소 정지되며 우리가 소위 말하는 별이라고 부를 수 있게 됩니다. 수소 핵융합 반응에 의해 4개의 수소 원자핵이 융합해 하나의 헬륨 원자핵이 되는데 헬륨 원자핵의 질량은 수소 원자핵 4개의 질량을 합한 것보다 약 0.7% 정도 작습니다. 바로 이 질량의 차이가 에너지로 방출되죠. 원시별이 수소 핵융합 반응을 통해 스스로 에너지를 만들어 내면서 빛을 방출하게 되면 이를 주계열성이라고 합니다. 별은 일생의 대부분을 주계열성으로 보내기 때문에 주계열성을 가장 많이 볼 수 있습니다. 갓 태어난 별의 질량은 태양 질량의 0.08 ~ 100배 정도로 매우 다양합니다. 무거운 별보다는 가벼운 별이 생겨날 확률이 훨씬 높겠죠?

별 대신 행성

만약 기체 구름이 중력 수축하여 만든 핵이 태양 질량의 7%보다 작은 경우, 중심부 온도가 천만 K(켈빈)에 다다르지 못하여 핵융합을 일으키는 데 실패하고 별이 되지 못합니다. 태양계에서 가장 큰 행성인 목성 역시 태양 질량의 0.1%로, 별이 되지 못하고 식어 행성이 되었죠.

별의 탄생 과정 요약

별의 탄생 과정을 요약하면 다음과 같습니다.

(1) 성운의 밀도가 커지면서 중력 수축이 일어난다.
(2) 원시별이 탄생한다.
(3) 수소 핵융합 반응이 일어난다.
(4) 수축이 멈추고 스스로 빛을 낸다.

다음 편을 기대해주세요!

지난 이야기

본문에서 사용된 모든 이미지는 구글 이미지에서 가져왔음을 밝힙니다.
본문을 작성하는데 있어 천재학습백과, 위키피디아, ZUM 학습백과 내용을 참조하였습니다.

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ramengirl (76) · 7 years ago

고등학생때로 돌아간 기분이네요 :)
kr-science 응원합니다!

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hunhani (65) · 7 years ago

@ramengirl 님 응원을 받으니 힘이 팍팍 나네요 ㅎㅎ 감사합니다.

leemikyung (82) · 7 years ago

솔직히 많이 어렵습니다~~그래도 이렇게라도 공부 안하면 안될 것 같아 조금이라도 이해 될 때까지 또 읽고 또 읽으렵니다^^

hunhani (65) · 7 years ago (edited)

최대한 쉽게 풀어쓴다고 했는데 아직 많이 어려운가 봅니다. 더 쉽고 재미있게 읽힐 수 있도록 신경쓰겠습니다. 감사합니다 ㅎㅎ

아닙니다. 제가 너무 모를수 있다는 전제도 고려해 주시기 바랍니다^^ 그래도 자주 공부하러 가겠습니다^,^

happadai (64) · 7 years ago

오늘도 좋은정보 주셔서 감사합니다 :)

감사합니다!

yurizard (58) · 7 years ago

오늘 내용 잘 보고 갑니다. 마치 책한권 읽는 것처럼 즐겁게 보고 갑니다

책 수준은 안되지만 요즘 교과서가 잘 나와있어 많이 참고하고 있습니다 ㅎㅎ 감사합니다.

seumseum (53) · 7 years ago

우와 그동안 아름다운 밤하늘을 감상만했지, 별들이 어떻게 탄생하였는 가에 대해선 한번도 생각한적이 없었는데, 이렇게 알아가니 너무나도 재밌어요!! ㅎㅎㅎ

밤하늘을 아름답게 해주는 별을 보다가 어떻게 저 별이 만들어졌을까 알게 되면 정말 재밌죠 ㅎㅎ 재밌게 봐주셔서 감사합니다.

oldstone (84) · 7 years ago

그야 말로 우주는 어마 무시하군요
이런 공부 계속하다보면 스님되겠습니다

천체물리를 전공하는 친구가 실제로 도닦는 기분으로 공부한다고 하더라구요 ㅎㅎ

sochul (72) · 7 years ago

오늘글은 그래도 쫌 이해했습니다. 물론 100%까지 이해하려면 회사를 나와서 한 10년쯤 연구후에나 가능할지 모르겠지만 그래도 저번보다 제가 좀 나아졌네요 ^^

그나저나 이렇게 계속 포스팅해주시는 훈하니님의 노력에 독자로서 발걸음을 좀 맞춰야하는데 말이죠.
독자 수준이 떨어져서리 ㅜㅜ

이번 글은 조금 덜 어려웠나 봅니다 ㅎㅎ 다행이에요~ 수준이라니 당치 않습니다. 수준을 맞추더라도 독자가 저자 수준을 맞출 필요가 없지요. 좀 더 쉽게 쓰는 연습을 늘 해야겠습니다 ㅎㅎ

[밤하늘의 물리학] Chapter 7. 성간 물질과 별의 탄생 과정