하늘에 별은 어떻게 빛이 나는 걸까?

 

별은 자체 중력에 의해 함께 유지되는 가스들로 구성된 빛나는 천체이다. 은하의 구성 요소이며 우주에서 빛과 열의 원천 역할을 한다.

 

 

 

 

별이란?

 

별은 성운이라고 불리는 거대한 가스와 먼지 구름에 의해 형성된다.

 

중력으로 인해 이러한 구름이 붕괴되고 물질이 밀도가 높아짐에 따라 가열된다. 원시성(별의 초기 단계) 중심부의 온도와 압력이 충분히 높아지면 핵융합 반응이 일어나며 주로 수소를 헬륨으로 전환한다. 이 융합 과정은 빛과 열의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출하여 별을 빛나게 한다.

 

내부 중력과 핵융합 반응에서 방출되는 에너지에 의해 생성된 외부 힘 사이의 균형이 별의 안정성과 크기를 결정한다. 별의 크기는 상대적으로 작은 것부터 거성 또는 초거성, 극대거성으로 알려진 무거운 것까지 다양하다.

▶ 거성 : 통상적으로 거성은 태양의 10~100배에 달하는 반지름과 10~1000배에 달하는 밝기를 띈다. 이보다 더 빩으면 초거성, 극대거성으로 불린다.

 

별의 색은 표면 온도에 따라 다르다. 뜨거운 별은 푸르스름한 흰색으로 보이고 차가운 별은 붉은색으로 보인다. 별의 밝기는 지구에서 얼마나 밝게 보이는가를 나타내는 겉보기 등급과 표준 거리에서의 고유 밝기를 나타내는 절대 등급을 사용하여 측정한다.

 

별은 질량에 따라 다양한 진화 단계를 거친다. 태양과 같은 대부분의 별은 결국 핵연료를 소진하고 적색 거성으로 진화한 다음 바깥층이 벗겨져 행성상 성운을 형성한다. 나머지 핵은 백색 왜성이 되거나 더 무거운 별의 경우 초신성 폭발을 겪고 중성자 별이나 블랙홀을 남길 수 있다.

 

별은 우주를 형성하고 행성에 에너지를 제공하며 핵 반응을 통해 무거운 원소를 생성하는 데 중요한 역할을 한다.

 

 

하늘에 별은 어떻게 빛이 나는 걸까?

 

별은 별 핵합성이라는 과정을 통해 빛을 발하는데 핵합성은 중심핵 깊은 곳에서 원자핵이 융합되는 과정이다. 태양을 포함한 별의 주요 에너지원은 핵융합이다.

 

• 별(항성)의 구조 : 별은 다양한 속성을 가진 층으로 구성된다. 중앙 코어는 핵융합 반응이 일어나는 곳으로 내부 복사 영역과 외부 대류 영역으로 둘러싸여 있다. 가장 바깥층은 가시광선을 방출하는 광구이다.

 

• 유체역학적 평형 : 별은 내부의 중력과 내부의 뜨거운 가스 압력에 의해 생성된 외부의 힘 사이에서 미묘한 균형을 이루고 있다. 이 균형은 정수압 평형으로도 알려져 있다.

 

• 핵융합 반응 : 별의 중심에서 온도와 압력은 엄청나게 높다. 태양과 같은 별에서 지배적인 융합 과정은 헬륨을 형성하기 위한 수소 핵(양성자)의 융합이다. 이 과정은 양성자-양성자 연쇄 반응으로 알려져 있다.

▶ 양성자-양성자 연쇄 반응 : 별의 중심부에서 4개의 수소 핵(양성자)이 일련의 핵반응을 거쳐 하나의 헬륨 핵을 생성한다. 여기에는 여러 단계가 포함된다.

2개의 양성자가 결합하여 중수소 핵(양성자 1개와 중성자 1개)을 형성한다. 양성자는 중수소 핵과 결합하여 헬륨-3 핵(양성자 2개와 중성자 1개)을 형성한다. 2개의 헬륨-3 핵이 결합하여 헬륨-4(양성자 2개와 중성자 2개)를 형성하고 부산물로 양성자 2개를 방출한다.

이러한 반응은 감마선(고에너지 광자)의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출한다.

 

• 에너지 운반 : 핵에서 생성된 에너지는 별의 층을 통해 표면으로 운반되어 빛과 다른 형태의 전자기 복사로 방출된다. 에너지 운반에는 두 가지 기본 메커니즘이 있다.

▶ 복사 확산 : 별의 가장 안쪽 영역에서 에너지는 광자에 의해 전달된다. 핵융합 반응에 의해 생성된 고에너지 감마선은 결국 외층에 도달하기 전에 이온 및 전자와 수많은 산란 및 흡수 상호작용을 겪는다.

▶ 대류 : 외부 대류 구역에서 에너지는 뜨거운 가스의 물리적 움직임에 의해 운반된다. 뜨거운 플라즈마(Plasma)는 표면으로 올라가 에너지를 운반하는 반면 차가운 플라즈마(Plasma)는 다시 가라앉아 재가열 된다. 이 대류 운동은 별의 물질을 혼합하고 에너지를 보다 효율적으로 운반하는 데 도움이 된다.

 

• 별(항성)의 진화 : 별의 일생 동안 중심부의 수소가 헬륨으로 전환되면서 구성이 점차 변한다. 수소 공급이 감소하면 핵이 수축하여 온도가 상승하고 핵융합 속도가 증가한다. 이로 인해 별이 팽창하고 밝아지며 주계열(온도가 높아질수록 더욱 밝아지는 별의 계열) 단계에 들어간다.

 

• 방사선 방출 : 핵융합에 의해 방출된 에너지는 결국 빛과 다른 형태의 전자기 방사선으로 방출된다. 광자가 별의 층을 통과할 때 이온과 전자와의 상호작용으로 인해 에너지를 잃고 연속적인 방사선 스펙트럼으로 이어진다.

 

• 별(항성)의 유형 및 스펙트럼 : 별의 유형에 따라 질량, 크기, 구성이 다양하여 스펙트럼의 차이가 발생한다. 별의 색과 온도는 관련이 있다. 뜨거운 별은 파란색과 자외선을 더 많이 방출하고 차가운 별은 빨간색과 적외선을 더 많이 방출한다.