별의 일생 · StellarLab

차갑고 어두운 분자 구름에서 직접 별을 수축시켜 보자: 원시별 원반의 점화를 보고, 질량을 드래그해 일생의 색·밝기·수명을 정하고, HR 도표에 궤적을 그린다. 적색 거성으로의 팽창과 행성상 성운 방출을 함께하거나, 대질량 별이 초신성으로 장렬하게 막을 내리고 백색 왜성·중성자별·블랙홀을 남기는 것을 본다. 마지막에는 대질량 별이 남긴 블랙홀 곁으로 날아가 중력 렌즈가 별하늘을 아인슈타인 고리로 휘고 강착 원반의 빛이 아치로 접히는 것을 목격한다. 블랙홀 영상은 GPU가 빛의 측지선을 한 줄씩 적분해 실시간 렌더링한다.

과목: 천문 · 대상: 고등학교, 대학교 · 학습 내용: 성운 수축과 별 형성, 주계열과 HR 도표, 적색 거성, 초신성, 별의 잔해, 블랙홀과 중력 렌즈

단원 내용

성운의 요람

성간 공간에는 거대한 분자 구름이 떠 있다 — 수소와 헬륨, 약간의 먼지로 이루어져 있고 온도는 약 10 K, 지구의 어떤 냉동고보다 차갑다. 가스가 충분히 밀집하고 차가운 곳에서는 중력이 가스 압력을 이겨 구름이 수축하기 시작한다.

낙하는 직선이 아니다. 구름의 희미한 자전은 수축과 함께 빨라지고(팔을 오므리는 피겨 선수를 떠올려 보라), 물질은 먼저 회전 원반으로 떨어진 뒤 원반을 따라 중심으로 흘러든다. 중심의 밀도와 온도는 계속 치솟는다 — 그곳에서 원시별이 자라고 있다.

점화

수축은 중력 위치 에너지를 열로 바꾼다. 중심 온도가 약 1,000만 K에 이르면 수소 원자핵이 마침내 격렬하게 충돌하며 핵융합이 점화된다. 수소핵 네 개가 헬륨핵 하나가 되고, 잃어버린 아주 작은 질량이 E = mc²에 따라 막대한 에너지가 된다.

융합의 바깥쪽 압력이 안쪽 중력을 떠받치면 별은 수축을 멈추고 정역학 평형에 들어간다 — 불이 켜진다. 태양 질량의 8% 미만인 천체는 이 온도에 영원히 도달하지 못하고 서서히 어두워지는 갈색 왜성, 실패한 별이 된다.

주계열 시절

별을 온도와 광도로 그린 도표(헤르츠스프룽–러셀 도표)에 찍으면 9할이 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 뻗은 띠 — 주계열 위에 놓인다. 뜨겁고 밝은 별은 왼쪽 위, 차갑고 어두운 별은 오른쪽 아래.

위치는 태어날 때 질량이 정한다. 대질량 별은 푸르고 밝지만 낭비하듯 태워 수명이 수백만 년에 불과하다. 태양 같은 황색 왜성은 100억 년을 태운다. 적색 왜성은 가장 알뜰해서 수조 년을 태울 수 있다 — 현재 우주 나이보다 훨씬 길다. 질량 슬라이더를 움직여 별이 HR 도표 위를 미끄러지고 수명이 늘어나고 줄어드는 것을 보라.

팽창과 이별

중심의 수소가 헬륨으로 다 타면 융합이 꺼지고, 중심은 수축하는데 외피는 팽창한다. 표면적이 넓어져 단위 면적당으로는 오히려 차가워지고 붉어진다 — 적색 거성. 태양이 적색 거성이 되면 수성과 금성을 삼키고, 어쩌면 지구도.

그다음 길은 둘로 갈라진다. 태양 같은 중·소질량 별은 외피를 항성풍의 물결로 부드럽게 날려 보내 화려한 행성상 성운이 된다. 태양 질량 8배 이상의 거성은 중심에서 철까지 융합을 진행한 뒤 1초 안에 수축했다 반발한다 — 초신성 폭발. 한순간 은하 전체보다 밝게 빛나며 벼려낸 중원소를 우주에 뿌린다. 당신 몸속 탄소·산소·철은 모두 이런 죽음에서 왔다.

별의 잔해

외피가 흩어진 뒤 남은 핵심은 무엇에 버티어 더 이상 붕괴하지 않는가? 태양 질량의 1.4배 미만(찬드라세카르 한계)인 핵심은 전자 축퇴압으로 버텨 지구 크기의 백색왜성이 된다——왼쪽의 청백색 잔해로, 표면에서는 탄소와 산소가 결정화되고 있다.

더 무거운 핵심은 전자를 양성자 속으로 눌러 넣어 도시 크기, 찻숟가락 하나가 수십억 톤인 중성자별이 된다: 가운데의 등대로, 자기 극의 광선이 별의 자전과 함께 심우주를 휩쓸고, 당신을 지날 때마다 하나의 펄스가 된다. 더 무거우면 중성자조차 버티지 못한다——오른쪽 빛의 고리 안쪽은 사건의 지평선으로, 물질이 나선형으로 빨려 들어가고 빛조차 빠져나오지 못한다.

HR 도표 위의 여정

HR도의 가로축은 표면 온도(주의: 왼쪽으로 갈수록 높다), 세로축은 광도(로그). 이제 그것이 당신 앞에 서 있다: 실제 별들은 빛나는 구다——태양은 가운데, 베텔게우스는 오른쪽 위(차갑지만 거대해서 밝다), 시리우스 B는 왼쪽 아래(뜨겁지만 아주 작아서 어둡다), 저 호박색 사선 띠가 별의 9할이 사는 주계열대다.

진화 궤적 하나를 켜고, 커서 별이 주계열에서 출발해 적색거성 가지로 꺾이고, 헬륨 연소를 지나, 마지막에 백색왜성 구석으로 떨어지는 것을 따라가 보자. 질량을 바꿔 몇 개 더 그리면——질량이 다르면 지나는 길도 도착점도 다르다. 이 도표는 천문학자의 지도다: 별의 온도와 광도를 측정하면 그 별이 일생의 어느 정거장에 있는지 읽을 수 있다.

블랙홀 곁의 렌즈

태양 질량 25배 이상의 별은 죽음 뒤에 항성질량 블랙홀을 남긴다. 블랙홀 자체는 빛나지 않지만 주변 시공간을 휘게 하고 지나가는 빛도 휜다. 뒤쪽 별하늘은 호로 늘어나고 이중상으로 뒤틀리며, 정면으로 정렬되면 한 바퀴 아인슈타인 고리가 된다 — 이것이 중력 렌즈, 일반 상대성 이론의 가장 직관적인 검증 중 하나다.

지평선 밖 슈바르츠실트 반지름의 1.5배 지점이 광자구다. 빛이 블랙홀 주위를 돌 수 있다. 화면 중앙의 검은 그림자는 지평선보다 훨씬 크다(반지름 약 2.6배). 가장자리의 가느다란 밝은 고리는 블랙홀을 한 바퀴 돌고 탈출한 빛이다. 주변에 가스가 있으면 작열하는 강착 원반이 된다 — 원반 뒷부분은 렌즈로 위쪽으로 접혀 올라가 그 유명한 빛의 아치를 그린다. 2019년 사건의 지평선 망원경이 찍은 M87*이 바로 이 모습이다.

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