별의 운명

은하수에 약 1000억개의 별이 있다고 추정된다. 행성(planet)도 있고 성운(nebula)도 있지만 대부분은 항성, star이다. 천문학에서 별들은 하늘에서 빛나는 하나의 점일 뿐이다. 점에 불과하기에 그들을 관측해서 얻을 수 있는 정보는 많지 않다. 별의 스펙트럼을 관측하여 표면온도와 밝기, 그리고 다양한 방법으로 그들과 지구 사이의 거리를 측정한다.

 

우주는 중력이라는 도구로 존재들을 한자리에 모은다(Jeans instability). 혹은 다른 말로는, 4차원 시공간에서 굴곡이 심한곳으로 존재들은 흘러든다. 흘러들면 굴곡은 더 심해지고 존재들은 더욱 잘 뭉쳐진다. 존재들이 많이 뭉치면, 중력에 의해서 스스로를 붕괴시키려고 하지만, 존재들은 맹렬하게 자유를 갈망한다. 중력과 엔트로피의 전쟁이 발생하는 것이다. 처음에 중력의 힘을 거역하기에는 별의 온도는 너무 낮다. 이 때를 pre-sequence 단계이다. 핵 엔진이 점화하기 전이다.

 

만약 중량이 태약의 0.08배보다 작으면 점화는 불발하고 갈색왜성(brown dwarfs)으로 유산한다. 갈색왜성은 얼핏 행성처럼 보이지만, 이것은 스스로 물질들을 모은 것이고, 행성은 보통 초신성 폭발의 온갖 찌꺼기들로 구성된다. 만약 중량이 태양의 0.4보다 작으면 엔진은 점화하지만, 간신히 유지되는 수준에 머물고 이러한 별을 적색 왜성(red dwarfs)이라고 부른다. 은하수의 73%를 이루는 작은 별들이다. 얘네들은 연료를 천천히 태우기에 아마 우주의 운명의 끝날까지도 미지근하게 타고 있을 것이다.

 

충분히 오랜 시간, 수천만년이 지나고 온도와 압력이 상승하면 먼저 수소(Hydrogen)원자들이 중수소(deuterium)과 뉴트리노로 모습을 바꾸는 약력의 작용으로 핵엔진이 가동된다. 그러나, 이 초기의 핵엔진의 효율은 너무 낮다. 충분한 시간이 지나고 온도가 상승하면 드디어 수소원자 2개가 헬륨 원자로 융합되면서 에너지를 방출하는 sequence 단계에 진입한다. 주계열성이라고 부르는 이 단계에서 별은 자신의 청춘의 90%를 바친다. 이 화려한 불꽃 파티의 결과, 주변에는 때로는 생명활동이 발생한다.

 

화려한 불꽃 파티는 오랜 기간 유지된다. 온도가 상승함에 따라, 존재들은 자유를 향해서 맹렬히 돌진하고 중력은 그들을 필사적으로 가두어 둔다. 즉, 엔트로피에 의한 확산과 중력 작용이 서로를 상쇄시키면서 오랜 기간 주변에 photon을 뿌려댄다. 지구의 모든 생명의 시작이, 이 화려한 불꽃 파티에서 생겨난 photon energy에서 시작함은 이미 충분히 잘 알고 있다.

 

파티의 끝은 쓸쓸한다. 마지막으로 남은 혼신의 힘을 쏟아서 적색거성(red giant)으로 짧게(별들의 0.5%) 마지막 리즈 시절을 종료한 후에, 더 이상 핵융합의 마약이 공급되지 않으면, 존재들은 중력에 저항할 힘을 잃는다. 그러나, 남은 최소한의 자존심이 전자 축퇴압(degeneracy pressure)이라고 부르는 파울리의 배타 원리에 따른 양자역학적 반발력이다. 이 상태에서 다시 태어날 때의 상태, 존재감 0의 백색왜성(white dwarfs)으로 생을 마감한다. 별들의 4%정도를 차지한다.

 

철 이상의 원소들은 모두 초신성 폭발단계에서의 거대한 에너지에 의해서 발생하고 따라서 양이 그렇게 많지 않다. 우주(지구)에 왜 이렇게 금이 많은가? 천문학자들이 의아해 하는 부분이다.

 

이제 더 이상 써버릴 연료가 없으면 중력에 의해서 별은 급작스럽게 붕괴되고(수 초) 온도는 50억도까지 치솟는다. 이러한 온도로 핵을 이루던 양성자와 중성자는 이별을 하고 양성자와 전자는 다시 중성자로 모습을 바꾼다. 결과적으로 별은 중성자로 가득차고 이러한 별을 neutron star라고 부른다. 이 별이 유지되는 것은 양자역학적 중성자 축퇴압때문이다. 어떤 별들은 이 단계에서 초신성 폭발을 일으키기고 하고, 만약 중력이 축퇴압을 극복할 만큼 질량이 크면 블랙홀로 생을 마감한다.