별의 탄생과정
태양과 같이 전형적인 별은 수소가스가 모여 있는 형태로 탄생하여(이런 별을 원시성protostar이라고 함) 중력에 의해 점차 안으로 응축되는 과정을 겪습니다. 이 과정에서 수소가스는 빠른 속도로 자전하며 그 결과로 별이 두 개로 분리되어 서로 상대방을 중심으로 공전하는 천체인 연성계double-star system가 형성되거나, 별의 자전축과 수직한 평면 위에서 행성들이 공전하는 태양계가 탄생합니다. 별이 응축됨에 따라 중심부는 계속 뜨거워지며, 온도가 1천만 도에 이르면 드디어 핵융합반응이 일어나면서 수소가 헬륨으로 전환되기 시작합니다.
약 1백억 년에 걸쳐 이 과정이 반복되다가 별이 다 타고나면, 즉 원료가 고갈되면 별은 수소가 아닌 헬륨을 원료로 삼아 핵융합 제2라운드를 개시합니다. 현재 우리의 태양은 수소를 반쯤 소모한 상태에 있습니다. 핵융합반응의 원료인 수소가 다 소모되면 태양 내부에서는 헬륨원자핵(알파입자라고도 함)을 원료로 삼아 새로운 핵융합반응이 일어나기 시작하는데, 이 과정에서 태양은 화성을 잡아먹을 정도로 덩치가 커지면서 이른바 적색거성red giant(진화 중간단계의 항성으로 표면온도가 낮지만 붉게 빛나는 큰 별)이 됩니다. 그러다가 헬륨마저 소진되고나면 태양의 바깥층이 서서히 분해되고 지구만한 크기의 중심부만 남게 됩니다. 천문학자들은 이때의 태양을 백색왜성white dwarf(표면온도가 높지만 주계열성보다 훨씬 어두움)이라 부릅니다. 태양과 같이 비교적 작은 별들은 백색왜성이 되면서 찬란했던 일생을 마감하게 됩니다.
그러나 질량이 태양보다 10~40배 정도 큰 별의 경우에는 핵융합과정이 훨씬 바르게 진행됩니다. 이런 별이 적색거성이 되면 중심부의 가벼운 원자핵들이 빠르게 융합되면서 별 내부에 백색왜성이 형성됩니다. 이 백색왜성의 내부에는 주기율표에서 철 이하의 가벼운 원소들이 생성되며, 최종적으로 철이 만들어지고 나면 핵융합과정에서 더 이상의 에너지를 추출하지 못하기 때문에 수십억 년 동안 끓어왔던 용광로는 드디어 수명을 다하게 됩니다. 그리고 이 시점부터 별은 급속하게 수축되면서 엄청난 압력으로 인해 모든 전자가 핵의 내부로 밀려들어가고 (이때의 밀도는 일상적인 물의 4천억 배가 넘음) 온도는 수조 도까지 상승합니다. 이렇게 작은 영역에 응축되어 있는 중력에너지가 어느 날 폭발하면서 별은 초신성이 되는 것입니다. 이 과정에서 발생한 엄청난 열에 의해 초신성의 내부에서는 또다시 핵융합반응이 일어나게 되는데, 철보다 무거운 원소들이 이때 만들어진다. 10광년 거리에 있는 초신성은 지구에 있는 모든 생명체를 멸종시킬 수 있습니다.
태양은 지구의 진정한 어머니라고 말할 수 없습니다. 지구가 태양으로부터 떨어져 나온 것은 사실이지만 (자전하는 태양의 원심력에 의해 표면의 잔해와 먼지들이 떨어져 나와 지구를 비롯한 행성으로 진화했다는 것이 학계의 정설임) 현재 태양의 온도는 수소의 핵융합반응으로 헬륨을 만들어내는 것이 고작이므로 지구의 진정한 어머니는 태양이 아니라 수십억 년 전에 우주 어딘가에서 수명을 다하고 사라진 초신성일 것입니다. 그 초신성의 잔해(철보다 무거운 원소들)는 지구뿐만 아니라 근처에 있는 성운에 골고루 뿌려졌을 것입니다. 즉 인간의 몸은 수십억 년 전에 사라진 별의 잔해로부터 만들어졌으므로 우리 모두는 별의 후손인 셈입니다.
초신성이 폭발한 후에는 중성자별neutron star(이론적으로 태양의 몇 배 정도의 질량이 지름 수십km 구球로 되어 있습니다. 아직 관측되지 않았지만 실제로 존재한다면 초신성폭발 때에 중심에 남는 것으로 생김)이라 부르는 조그만 잔해가 남는다. 중성자별이란 중성자의 축퇴압degeneracy pressure이 중력과 균형을 이루고 있는 초고밀도의 별로서 크기는 대략 32km 정도로 맨해튼과 비슷합니다. 중성자별은 1933년 스위스의 천문학자이며 칼텍의 교수 프리츠 프비키Fritz Zwicky(1898~1974)에 의해 처음 예견되었습니다. 중성자별은 빠르게 자전하면서 불규칙적으로 복사파를 방출하고 있기 때문에 흔히 회전하는 등대에 비유되곤 합니다. 지구에서 보면 맥박 치는 별처럼 보인다고 해서 맥동성pulsar(전파방사 천체의 하나로 맥동전파원pulsating radio source이라고도 함)이라는 이름도 갖고 있습니다.
태양보다 40배 이상 큰 별이 수명을 다하여 초신성폭발을 일으키면 태양 질량의 3배가 넘는 중성자별이 탄생합니다. 이 중성자별의 중력은 중성자들 사이의 밀어내는 힘을 극복할 정도로 강력하여 별은 계속해서 수축되고 결국 블랙홀이라는 신비한 천체로 변신합니다.