성운과 성단
은하 내에는 별을 포함해서 성운, 성단들이 있습니다. 성운이란 가스와 먼지로 가득한 거대한 덩어리이며, 성단이란 별들이 무리를 지어 있는 것을 말합니다.
- 성운과 별의 탄생
성운은 주로 수소와 약간의 헬륨으로 이루어져 있는데 아주 넓은 공간에 흩어져 있어서 성운에 따라서는 별 수백 개의 질량에 해당되는 큰 질량을 가지고 있는 것도 있습니다.
그러나 성운이 퍼져 있는 공간이 매우 넓기 때문에 성운의 밀도는 매우 낮아 공간은 거의 텅 빈 것처럼 보입니다.
성운의 중심에서도 1㎤에 겨우 10개 정도의 수소를 발견하는 것이 고작이죠.
그리고 온도가 영하 270℃정도로 아주 낮아서 입자들이 매우 천천히 움직이므로 입자들 사이에 충돌은 거의 일어나지 않습니다.
지구의 대기 중에는 아주 많은 양의 산소와 질소가 있습니다. 성운의 밀도에 비하면 수천만 배나 되는 높은 밀도입니다.
이런 높은 밀도에도 불구하고 이 원자들이 인력에 의해 하나의 큰 질량으로 뭉치지 않는 것은 대기의 온도가 높아 원자들의 운동이 활발해서 서로에게서 달아나려는 운동에너지가 원자를 잡아당기는 만유인력보다 훨씬 크기 때문입니다.
마찬가지로 성운의 입자들이 하나의 거대한 질량으로 뭉치지 못하고 있던 것은 성운의 온도가 매우 낮긴 했지만 이 온도에서 원자가 가지는 운동에너지가 아직은 인력보다 크기 때문이었죠.
그러나 이제 어떤 이유로 성간 물질의 밀도가 높아지면 빛이 내부까지 침투하지 못하게 되어
내부의 온도는 더 내려가 절대온도 0도에 가깝게 됩니다.
이런 상태에서는 원자들의 움직임이 매우 느려지고 운동에너지가 작아져서 만유인력이 운동에너지를 압도하게 됩니다.
그러면 성간 물질들은 만유인력에 의해 점점 더 높은 밀도로 응축하게 됩니다.
만유인력에 의한 이러한 응축작용은 거대한 성운의 여러 곳에서 동시에 일어나게 될 겁니다. 성운에서 우연히 다른 곳보다 밀도가 높게 된 부분이 핵이 되어 이 점을 중심으로 더 큰 질량이 응축하게 되는데 이런 점들을 글로블(globule)이라고 합니다.
글로블들은 별들의 모체가 됩니다. 일단 글로블이 형성되면 자체의 인력에 의해 기체 덩어리는 급속히 작아지게 되어 기체는 안으로 몰려들고 밀도는 점차 증가하게 됩니다.
기체 덩어리가 작아짐에 따라 기체 원자들 사이에는 빈번한 충돌이 생겨 인력에 의해 중심으로 빨려들면서 얻어진 운동에너지가 열에너지로 바뀌게 됩니다. 이에 따라 이 글로블 중심부의 온도가 올라가게 되지요.
따라서 기체 원자의 운동에너지가 커져서 기체 원자가 활발하게 움직이기 시작하지만 질량의 집중으로 인력이 커졌기 때문에 입자들은 이 인력권에서 벗어나기 힘들게 됩니다.
따라서 글로블은 점점 더 작게 응축하게 되고 이에 따라 글로블의 온도는 점점 더 올라가게 되어 지구의 관측자에게는 불그스름한 불덩어리처럼 보이게 됩니다.
이것이 이제 막 태어나기 시작하는 아기별(protostar)입니다.
그러나 이 아기별은 아직도 인력에 의한 응축을 이겨낼 수 없기 때문에 더욱 수축되고 온도는 더욱 올라갑니다.
그리하여 마침내 아기별의 내부에서 수소가 헬륨으로 변하는 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 조건에까지 이르게 되면 드디어 아기별의 핵에서 핵융합 반응이 시작됩니다.
별의 내부에서 핵융합반응이 일어나서 에너지가 공급되면 입자들의 운동에너지가 증가되어 만유인력에 의해 응축하려는 힘을 견딜 수 있게 됩니다. 이런 상태가 되면 아기별은 응축하는 것을 멈추고 스스로 빛을 내는 청년별로 변신하게 됩니다.
청년별은 내부의 핵융합 반응에 의해 푸른빛을 내는 밝은 별로 이런 상태는 이 별이 가지고 있는 수소를 다 소비할 때까지 계속됩니다. 그러나 수소의 양이 많다고 해서 이 별의 청년기가 더 오래 가는 것은 아니죠.
질량이 크면 클수록 아기별 상태에서 청년별 사태로 옮겨가는 시간이 짧고 청년별이 되어서도 더 활발한 핵융합 반응을 함으로써 오히려 청년기가 더 짧게 됩니다. 태양 정도의 질량을 갖는 별은 청년기가 약 100억 년 정도 될 것으로 추정하고 있습니다.
따라서 이제 약 50억 년이 나이를 가진 태양의 매초 6억 톤의 수소를 헬륨으로 변환시키더라도 태양이 가지고 있는 수소를 헬륨으로 바꾸기 위해서는 아직도 50억 년은 더 기다려야 한다는 얘기지요.