그렇다면 앞으로의 미래는 어떻게 될까 ?
앞서서 예측한 과학적인 계산 (46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (1) 참조)들처럼 우리의 미래도 예측할 수 있습니다. 별의 탄생은 138억 년의 우주와 생명에서 가장 빈번하고 중요한 일중 하나 이지만, 별의 일생은 인간의 그것과 상당히 많이 닮아 있습니다. 인간이 엄마의 뱃 속에서 태어난 후, 한 평생을 살고 다시 흙으로 돌아가듯이, 별도 성운 안 성간 물질에서 태어난 후 (“항성의 탄생은 1cm3당 분자 수십만~수백만 개가 모여있는 거대분자구름 내부에서 시작됩니다. 우주 평균 밀도는 보통 1세제곱미터당 수소원자 1개가 고작이기에 생각보다 아주 비어있습니다”), 한 평생을 살고 다시 성운으로 되돌아 갑니다. 한가지 다른점이 있다면, 인간은 자기 의지를 가지고 노력을 하면서 미래를 바꾸는 생활이 가능하지만 별은 항상 “물리학”을 따르게 됩니다. 이말은 바로 별은 자신이 태어날때의 초기질량에 따라서 앞으로의 미래가 이미 결정되어 진다는 말과도 같습니다.
그림1 별의일생을 간단하게 나타낸 모식도 (기본단위 M☉: 우리태양의 질량; 1.9885×1030 kg; 지구의 약 333,000배)
만일 태어났을때의 질량이 매우 크다면 당연히 핵융합 반응이 폭발적으로 일어나게 됩니다. 따라서 새로 탄생한 별은 유체 정역학적 평형을 이룰 수가 없기에 얼마정도의 한계(“박살나지 않고 항성을 이룰 수 있는 한계를 우리는 에딩턴 한계라고 부릅니다”)를 제외하고 자신의 모든 질량을 자신의 항성풍으로 다시 우주 공간으로 흩뿌리게 되지만 보통의 별들은 주계열성, 거성, 밀집성등으로 진화하게 됩니다. 우리의 태양은 현재 별의 청장년단계인 주계열성의 단계를 거치고 있습니다. 주계열성 단계는 중심에서 수소의 핵융합으로 에너지를 생산하는 단계입니다. 수소 핵융합으로 생성된 헬륨은 별의 중심핵부분에 쌓이며, 이로 인하여 점점 중심부의 중력이 강해지게 됩니다. 또한 온도도 올라갑니다. 물론 이미 생성된 헬륨 중심핵 주변에서는 여전히 수소 핵융합이 일어납니다. 결과적으로 주계열성은 조금씩 부풀어오르며 밝아지게 됩니다. 우리 태양의 주계열성의 마지막 단계에서는 현재보다 약 2배 이상 밝아질 것이라는 계산과 예측이 있습니다.
그림2 가장 대표적인 주계열성인 우리 태양과 대표적인 적색거성인 알데바란의 크기 상상도
태양과 같은 주계열성이 중심핵에 모든 수소를 소진했을 때에는 다음단계로 진입하게 됩니다. 태양은 태어날때의 초기질량의 태양의 0.5 – 8배 정도에 해당하기에 다음단계는 적색거성으로 진화할 것입니다. 수소 핵융합으로 만들어진 헬륨을 핵융합 원료로 이용하며 탄소를 생성해냅니다. 이때에는 별의 외피층이 부풀어 오르게 됩니다. 적색거성이 점점 무거워지면서 탄소나 질소 등을 핵융합할 수 있게 되고 이들은 다시 적색 초거성으로 진입하게 됩니다. 핵융합으로 생성된 무거운 원소들은 항성의 중심 쪽으로 이동하게 되고 따라서 중심핵 주변에서 이루어지는 핵융합 반응도 점점 더 활발해집니다. 이로 인해서 항성이 내뿜는 복사압은 더 강해지기에 별은 적색거성에 비해 한층 더 부풀어오르게 됩니다.
그림3 아래 우리 태양과 여러가지 적색거성(알데바란 등) 및 적색초거성 항성 (베텔지우스, 안타레스 등)들의 크기 상상도
우리 태양처럼 거의 모든별들이 주계열성과 그 뒤의 단계인 거성을 거친 후, 별이 태어났을때의 초기 질량에 따라서 백색 왜성, 초신성, 중성자별, 그리고 블랙홀등의 형태로 진화하게 됩니다. 계산에 따르면, 약 78억 년 후, 우리 태양은 자신의 껍질을 행성상 성운의 형태로 날려 보내기에 자신의 천체들을 모두 잃은 채 더 이상 에너지를 생성할 수 없는 백색왜성으로 진화 할 것입니다.
그림4 두루미자리의 IC 5148 행성상성운(주변부)과 백색왜성(중심부)의 모습
왜 외계행성을 찾아야만 하는가?
이미 지구는 태양이 적색거성이 될때부터 버틸 수가 없습니다. 이때부터 이미 지구가 너무 위험합니다. 태양의 크기가 이미 지구 궤도까지 부풀어 오르게 됩니다. 하지만 적색 거성 단계인 태양은 이미 자신의 질량을 잃어 버린 상태이므로 여러 행성들은 단순히 현재의 위치보다 물러날 수도 있습니다. 하지만 살아남더라도 지구의 대기는 견딜 수 없습니다. 대기가 무너지게 되고 지구의 바다는 기화현상이 일어나고 우주공간으로 사라지게 됩니다. 지구가 살아남더라도 더 큰 문제가 발생하게 됩니다. 계산에 따르면 약 78억년 정도가 지나면, 태양 내부 온도는 불안정해지면서 자신의 껍질을 행성상 성운의 형태로 날려 보내게 됩니다. 때문에 태양은 자신의 천체들을 모두 잃은 채 홀로 더 이상 에너지를 생성할 수 없는 백색왜성으로 진화 할 것입니다. 이에 따라 당연하게도 행성들의 궤도는 망가지게 되고 일부는 서로 충돌하고 결국 부서지거나 다른 우주 공간으로 날아갈 수 있습니다. 지구의 궤도가 바뀌게 되어 대기권이 망가지게 된다면 태양으로부터 오는 방사선과 자기력선을 막을 방법이 없어 지며 바뀐 궤도의 온도는 인류의 생존에 적당하지 않게 됩니다. 즉 우리가 인류의 역사를 계속 쓰기 위해서는, 인류가 살기 적합한 또 다른 행성을 찾아야 합니다.
그림 5 외계행성 상상도
후속 칼럼 설명
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (1)
46억년전 태양계의 출발을 이론적으로 예측하고 설명하며, 실제 관측과 비교합니다.
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (2)
이와 비슷하게 앞으로의 미래에 관해서 예측합니다. 태양계의 종말을 예측하며 우리가 왜 외계행성을 찾아야하는지에 중점을 두고 설명합니다.
46억 년 전 우리에게 무슨 일이 있었을까? (3) – 천체 물리학의 최종 목표: 외계행성을 찾아라
필자가 속해있는 CARMENES팀의 연구를 중심으로 외계행성의 연구가 얼마나 진전이 되었는지 알아봅니다.
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이번 시리즈의 글은 필자가 한국과학기술단체총연합회의 월간 잡지 과학과 기술에 기고한 글의 확장본 입니다.
지면 관계상 싣지 못했던 보다 자세한 설명들을 더 담았습니다.
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그림출처:
표지그림 Andrew Campbell 2018
그림 1 http://espace-univers.blogspot.de 필자 번역 및 수정
그림2 NASA 상상도
그림3 NASA 상상도
그림4 ESO 실제관측
그림5 NDTV.com
김민재
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- 천체 물리학의 최종 목표: 외계행성을 찾아라 - July 28, 2019
