검색

25. 주계열 별의 내부구조
이형목   |   2009-08-25

▲질량에 따른 별의 내부구조. 질량이 큰 별은 중심핵 부근에 대류 영역이 형성되고 바깥 부분은 빛에 의해 에너지가 전달되는 복사층이다. 태양 질량 정도의 별에서 표면 부근에 형성되기 시작한 얇은 대류층은 질량이 작은 별로 갈수록 점점 두터워져 아주 질량이 작은 별은 핵융합이 일어나는 중심핵을 제외하고는 전영역에서 대류가 일어난다.      © 안성신문

별의 내부를 직접 들여다볼 수는 없지만 우리는 그 구조를 매우 잘 알고 있다고 믿고 있다. 별을 이루고 있는 물질은 가스 상태에 있으며 액체나 고체에 비해 훨씬 단순하기 때문이다. 우리는 태양의 내부를 지구의 내부보다도 훨씬 더 정확하고 자세히 알고 있다. 별의 구조는 진화의 단계에 따라 달라진다. 이제 여기서 우리는 주계열 단계에 있는 별에 국한해서 내부구조를 알아본다.

별의 성질을 결정해주는 가장 중요한 요인은 질량이다. 별의 질량 범위는 태양의 0.08배에서 100배 사이에 놓여 있다. 질량이 너무 작으면 별의 내부 온도가 핵융합을 일으킬 정도로 충분히 높아지지 않고 반면 너무 크면 금방 폭발해버린다. 질량에 따라 별의 구조가 달라지는 이유는 중력에 대항하는 압력이나 에너지 전달 방법이 크게 달라지기 때문이다. 압력은 크게 가스에 의한 것과 빛에 의한 것으로 나눌 수 있는데 별의 질량이 커질수록 빛에 의한 압력의 역할이 점점 커진다. 결국 빛에 의한 압력이 가스에 의한 압력보다 더 커지면 별은 불안정해 폭발한다. 그래서 별의 질량에 상한선이 존재하는 것이다.

별의 내부는 크게 핵융합이 일어나는 중심핵과 중심에서 만들어진 에너지가 복사에 의해 전달되는 복사영역, 대류에 의해 전달되는 대류 영역으로 나눌 수 있다. 빛이 비교적 쉽게 통과할 수 있는 상태가 되면 복사에 의해 에너지를 전달하지만 전달해야 할 에너지에 비해 복사 효율이 충분치 못하면 대류가 일어나기 시작한다. 복사란 빛을 의미하는 말이며 대류는 물질이 에너지를 가지고 직접 이동하는 현상을 뜻한다. 물이 부글부글 끓는 것은 대류에 의해 에너지가 전달되는 모습의 대표적인 예이다.

질량이 큰 별은 중심 온도 질량이 작은 별에 비해 높기 때문에 핵융합이 매우 활발히 일어난다. 이렇게 중심 부분에서 너무 많은 에너지가 발생해 복사만으로 전달할 수 없는 질량이 큰 별에서는 중심핵 바로 바깥에 대류 영역이 만들어진다. 반면 질량이 작은 별은 표면 부근에서 온도가 1만 도 이하로 떨어지면서 불투명도가 증가하기 시작해 복사에 의한 에너지 전달을 막기 때문에 바깥에서 대류층이 형성된다.

이러한 바깥쪽 대류층은 질량이 작아질수록 점점 커져 중심핵을 제외한 전 영역에서 대류가 일어날 수 있다. 그림에는 태양질량의 60배, 1배, 그리고 0.1배인 별의 내부에 중심핵, 복사영역, 대류 영역이 어떻게 배치되는가를 보여준다. 태양의 경우에는 표면 부근에 얇은 대류 영역이 있다. 이러한 대류 현상은 태양 표면의 쌀알 조직이라는 구조로 관측된다.

주계열에 있는 별의 광도 역시 질량에 따라 매우 민감하게 달라진다. 질량이 큰 별일수록 단위시간에 방출하는 에너지인 광도가 매우 높다. 예를 들어 태양 질량의 2배 정도인 별은 태양 광도의 약 10배 이상 되지만 태양 질량의 절반 정도 되는 별은 태양 광도의 0.1배 정도밖에 되지 않는다.

이러한 질량과 광도 사이의 관계로부터 우리는 별의 수명이 질량에 의해 어떻게 달라지는가를 쉽게 추정할 수 있다. 별의 전체 수명 중 90% 이상을 차지하는 주계열 수명이란 중심핵의 수소가 소진되는 데 걸리는 시간을 말한다. 별의 광도는 중심핵에서 일어나는 핵융합에 의한 수소 소모율을 말해준다. 따라서 별의 수명은 전체 사용 가능한 수소의 양을 단위시간당 소비하는 소모율로 나누어주면 될 것이다.

앞서 말한 태양 질량의 2배 되는 별의 경우 연소할 수 있는 수소의 양은 태양에 비해 2배 정도 되며 소모율은 10배가 넘기 때문에 실제 수명은 태양의 수명에 비해 1/5밖에 되지 않는다. 반면 태양 질량의 0.5배 되는 별은 사용 가능한 수소의 양이 태양의 절반이지만 소모율이 0.1배 정도이기 때문에 수명은 5배 정도로 길다. 결국 질량이 큰 별일수록 수명이 짧고 작은 별일수록 수명이 길다는 결론에 이르게 된다. 태양의 주계열 수명은 약 100억 년 정도로 추정된다.

별이 주계열에 있는 동안에는 광도나 표면 온도가 비교적 일정한 상태로 유지된다. 그렇다고 해서 변화가 전혀 일어나지 않는 것은 아니다. 중심핵에서 일어나는 핵융합 반응은 서서히 수소를 헬륨으로 바꾸어준다. 중심 부분에서 일어나는 이러한 화학적 조성의 변화는 궁극적으로 별의 진화를 일으키는 원동력이 된다. 이제 다음호부터는 별이 어떻게 진화하는가를 알아본다.

이형목(서울대 자연과학대학 물리ㆍ천문학부 교수)



뒤로가기 홈으로

인기뉴스

URL 복사
x

PC버전 맨위로 갱신

Copyright ⓒ 안성신문. All rights reserved.