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정호준의 별 이야기<117> 별들은 왜 밝기가 다른가?
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승인 2018.02.12  09:36:39
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정호준 박사.

별들은 눈으로 볼 때 밝아서 잘 보이는 별도 있고, 어두워 잘 보이지 않는 별도 있습니다. 별들은 눈으로 보이는 밝기뿐만 아니라, 절대등급으로 표시되는 실제의 밝기도 별마다 다릅니다. 이렇게 별들의 밝기가 서로 다른 것은 왜일까요?

이 물음에 답하기에 앞서, 도대체 별들은 왜 빛을 내는지를 태양에서 일어나는 현상으로 생각해 보도록 하겠습니다. 태양은 굉장한 고온이며 고밀도의 거대한 가스 상태의 구체로서, 내부에서는 4개의 수소원자가 결합하여 헬륨가스로 변하는 핵융합반응이 일어나고 있습니다. 그리고 그 핵융합반응에 의해 만들어 지는 막대한 에너지가 태양이 내뿜는 빛과 열의 근원입니다.

별도 태양과 완전히 동일한 이치로 작열하는 빛을 내뿜고 있습니다. 그렇다면 별의 밝기의 차이는 빛의 원천이 되는 핵융합반응 에너지의 크기 차이라고 바꾸어 말할 수 있습니다.

그러면 이렇게 엄청난 에너지를 만들어내는 핵융합반응이 별의 내부 에서 일어나는 이유는 도대체 무엇 일까요? 그 이유는 사실 별이 상상할수 없을 정도로 무겁기 때문입니다.

대체로 별을 형성하는 가스가 우주에 널리 흩어져 있지 않는 이유는 별의 무게로 인해 생기는 인력 때문입 니다. 또, 별이 어중간 하지 않은 엄청난 무게를 가지고 있기 때문에, 자신의 무게로 인해 수축하려는 힘이 굉장히 세어서, 별의 중심부에는 무지막지한 압력이 가해지게 됩니다.

이 압력이 너무나도 커서 수소원자 핵이 점점 심하게 부딪치게 되며, 이윽고 서로 들러붙게 되어 헬륨 원자 핵으로 변하게 됩니다. 이런 반응이 일어나기 시작하 면, 여기서 생긴 에너지가 주변의 온도를 더욱 올리게 되고, 온도가 올라 가면 압력은 더욱 커지게 되므로, 이런 격심한 핵융합 반응이 더욱더 많이 일어나게 됩니다.

결국 별의 내부는 초고온이 되면 서 팽창하려는 힘이 커지게 되고, 이 팽창력과 수축하려는 힘이 균형을 잡아가게 됩니다. 이리하여 별은 수축하지 않고 안정된 크기를 유지하며 일정한 빛을 내게 됩니다. 이때 질량이 큰 별은 그만큼 수축하려는 힘이 크므로, 내부도 수축력에 비례해 온도가 높아지고 부풀려는 팽창력이 커져서 균형을 유지하게 됩니다. 반대로 질량이 작은 별은 그만큼 내부의 온도도 낮고 팽창력도 작습니다. 이렇게 별이 만들어지는 이치로 볼 때 질량의 대소가 핵융합반 응의 크기와 직결되므로, 별의 밝기는 별의 질량에 의해 결정된다고 할수 있습니다.

태양은 지구 33개 분의 질량을 가지고 있는데, 우주에는 태양보다 100 배나 무거운 별이 있는가 하면, 반대로 태양의 1%에도 못 미치는 가벼운 별도 있습니다. 그렇게 각각의 질량에 의해 별의 절대밝기가 결정됩니 다. 참고로 현재 우주에서 가장 밝다고 알려진 절대등급 마이너스 14.0인 LBV1806-20의 질량은 태양의 120 배 정도라 합니다.

대체로 이 정도로 큰 규모의 별은, 질량이 너무나 크므로, 오랜 기간 동안 별로 존재하기 곤란할 정도로 불안정해 집니다. 무거운 만큼 내부에서 부풀어 오르려는 팽창력이 너무나 높아져, 때때로 별 표면의 일부 장소에서는 중력(수축력)보다 팽창력이 커지는 경우가 생기게 되고, 별의 표면층을 튕겨 내버리는 경우가 생깁니다. 상상을 초월하는 큰 질량은 상상하지 못할 밝기의 근원이 되기는 하지만, 너무 커지면 오히려 자체 체중을 감당하지 못하고 부서져 버릴 수도 있습니다.

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