별의 청년기인 주계열성은 시간이 흐르면서 노년기에 접어들게 됩니다. 별이 노년기에 접어들면서 붙여지는 이름 중 하나가 바로 적색거성, 영어로는 Red Giants입니다. 왜 별은 적색거성이 되고 적색거성은 또 어떤 삶을 살게 되는지 알아보겠습니다.
주계열성이 적색거성이 되는 원인
앞선 포스트에서 별이 태어나는 과정 중 네뷸라와 원시성을 거쳐 주계열성이 되는 이야기를 다루어 보았습니다. 주계열성은 시일이 흐를수록 핵융합의 연료로 사용할 수 있는 수소의 양이 고갈되게 됩니다. 한정된 네뷸라에서 태어난 원시성이 주계열성으로 변화한 것이기 때문에 이미 네뷸라에서부터 주계열성이 사용할 수 있는 연료의 양은 정해진 것이나 다름없다고 볼 수 있습니다. 주계열성은 지속적인 핵융합으로 수소를 태우고 헬륨을 합성해 내는데 이 헬륨이 중심핵에 축적되게 됩니다. 헬륨의 중심핵축적은 다시 헬륨의 융합을 일으키게 되고, 이로 인해 별은 팽창하게 됩니다.
별의 팽창은 겉으로 보기엔 별의 크기가 커지는 것으로 보이지만 팽창으로 인해 밀도가 낮아져서 결국은 온도가 떨어지게 됩니다. 온도가 떨어진 주계열성은 푸른색이나 흰색의 별이었다가 낮아지는 온도로 인해 적색으로 변하게 되는 것입니다. 적색거성이라는 이름은 그래서 부피가 커지면서 온도가 낮아져버린 일종의 별의 노화 현상이라고도 표현할 수 있습니다.
과알못의 궁금증 하나. 수소핵융합시에는 온도와 압력이 올라가 수축한다면서 왜 헬륨은 반대지?
수소의 핵이 융합할때에는 온도와 밀도가 올라가는 방향으로 융합이 일어납니다. 수소의 핵융합 시에는 때문에 외부로 방출되는 에너지의 양이 많지 않습니다. 반대로 헬륨의 핵융합이 일어날 때에는 온도와 압력을 높이는 것보다 외부로 방출되는 에너지가 더 많습니다. 방출되는 에너지의 양도 다르지만 이미 수소는 헬륨의 핵융합이 일어나기 전 단계에서 다량 소진되게 되고, 이 두 에너지가 균형을 이룰 때에는 별의 크기가 유지되지만 두 에너지의 균형이 무너지게 되면서 별이 팽창됩니다.(수소는 점점 소진되기 때문에 결국 헬륨의 핵융합 에너지가 수소의 핵융합 에너지를 넘어서게 됩니다.)
과알못의 궁금증 둘. 수소 핵융합이랑 헬륨 핵융합의 조건은 다른가?
두 융합 모두 고온과 고압을 기본조건으로 하지만 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 수소핵융합이 먼저 일어나게 됩니다. 수소핵융합이 지속적으로 이루어져 온도와 압력이 일정수준 이상으로 올라가게 되면 그 조건으로 헬륨 핵융합이 일어납니다.
과알못의 궁금증 셋. 근데 왜 헬륨이 더 많은 에너지를 가지고 있을까?
하아, 문과출신 과알못에게는 질문이 끊이질 않지만 일단 살펴봅시다. 수소는 양성자와 중성자, 전자가 각각 1개씩으로 구성된 원자입니다. 헬륨은 양성자, 중성자, 전자가 각각 2개씩입니다. 문과출신인 과알못이 보기에도 산술적으로 2배입니다. 그러니 에너지가 더 많습니다. 대체적으로 원자 역시 각각의 질량에 비례하는 에너지를 가지고 있습니다. E = mc^2에 비례하는 에너지를 가진다고 하는데 수식이 나오니 머리 아파집니다. 일단 그렇다고 합니다.
적색거성의 특징
적색거성의 특징들을 간략하게 정리하면 다음과 같이 나누어 설명할 수 있습니다.
1) 낮은 표면의 온도 : 적색거성은 다른 별들보다 표면의 온도가 비교적 낮은 편에 속합니다. 주로4,000~5,000K의 범위 안에 있습니다.
2) 큰 크기 : 적색거성은 이름 그대로 크기가 매우 큰 별을 의미합니다. 태양을 기준으로 본다면 대략 20배에서 100배이상의 크기인 경우가 많습니다.
3) 붉은 색 : 낮은 온도의 별은 적색광선을 방출합니다. 따라서 적색거성은 붉은색입니다.
적생거성의 주기가 끝나면 어떻게 변화할까?
핵융합과정에서 소비되는 수소의 양이 점점 줄어들면서 붉게 변하고, 부피가 커진 적색거성은 표면적의 증가로 별 전체의 발광량이 증가합니다. 하지만 부피가 커진 만큼 발광면적에 따른 에너지의 비율을 줄어들게 되면서 소비되는 에너지 대비 헬륨 핵융합으로 만들어지는 에너지가 증가하게 되고 내부 온도는 다시 상승하여 빛의 색이 붉은색에서 노란색으로 다시 백색으로 변화하는 과정을 겪거나 혹은 초신성으로 진화하는 결과를 맞습니다.
별의 생애 이야기
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