무거운 별, 초신성, 그리고 남는 것

무거운 별의 중심이 철로 바뀌면 며칠 안에 연료가 떨어지고 무너집니다.

빠르게 사는 별

NASA는 태양 질량의 약 8배를 경계로 별의 운명을 둘로 나눕니다. 그 경계보다 무거운 별도 처음에는 다른 별과 똑같이 시작합니다. 구름 속에서 무너져 내리며 생겨나고, 주계열에서 수소를 태웁니다. 하지만 이런 별은 HR도에서 뜨겁고 밝은 왼쪽 위에 자리합니다. 이 별은 연료를 엄청난 속도로 태웁니다. 그래서 NASA의 표현대로 모든 과정이 겨우 수백만 년 만에 끝납니다. 태양이 약 100억 년 동안 사는 것과 비교하면 아주 짧습니다. NASA에 따르면 질량이 태양의 약 15배인 베텔게우스는 나이가 대략 1,000만 년인데, 벌써 적색 초거성이 되었습니다.

양파 같은 층

중심의 수소가 바닥나면, 무거운 별도 작은 별들처럼 헬륨을 탄소로 융합합니다. 하지만 무거운 별은 중심이 충분히 무겁기 때문에 거기서 멈추지 않고 계속 나아갑니다. 헬륨 다음에는 탄소를 네온으로 융합하고, 그다음에는 네온을 산소로, 산소를 규소로 융합합니다. 그리고 마지막에는 규소를 철로 융합합니다. 새 연료는 중심에서 타고, 앞선 연료들은 그 바깥 껍질에서 계속 탑니다. 그래서 별의 내부는 결국 양파처럼 여러 겹의 층으로 나뉘고, 그 한가운데에는 철이 자리 잡습니다. NASA는 연료가 바뀔 때마다 별이 버틸 수 있는 시간이 점점 더 짧아진다고 설명합니다. 규소가 철로 융합될 무렵이 되면, 별은 단 며칠 만에 연료가 떨어집니다.

철에서 이 길은 끝이 납니다. 철을 그보다 더 무거운 원소로 융합하면 에너지가 나오지 않고, 오히려 에너지가 들어갑니다. 그래서 중심은 자신을 받쳐 주던 힘을 잃게 됩니다. 중심은 1초도 안 되는 아주 짧은 사이에 무너져 내리다가, 원자핵이 너무 빽빽하게 눌려 버티기 시작하면 다시 튕겨 나옵니다. 이 반동이 충격파를 만들고, 충격파는 별 바깥으로 퍼져 나갑니다. 그 결과가 바로 초신성입니다. 초신성은 잠깐 동안 은하 하나 전체보다도 밝게 빛날 수 있는 폭발입니다. NASA는 이때 흩어진 물질이 나중에 생길 구름을 채운다고 설명합니다. 그래서 다음 세대의 별과 행성에는 앞선 별 속에서 만들어진 원소가 들어 있습니다.

중성자별과 블랙홀

별이 죽은 뒤에 무엇이 남는지는 질량에 달려 있습니다. NASA에 따르면 태양 질량의 약 8~20배인 별은 중성자별을 남깁니다. 중성자별은 태양보다 큰 질량이 아주 작은 공 안에 들어 있는 천체입니다. 그 공의 너비는 맨해튼섬의 길이와 비슷한 약 20 km입니다. 중성자별의 밀도는 지구에 있는 어떤 것과도 비교할 수 없습니다. 태양 1.4개만큼의 질량을 반지름 10 km인 공에 고르게 펼치면, 1세제곱미터에 약 7 × 10¹⁷ kg이 됩니다. 많은 중성자별은 아주 빠르게 자전하면서, 등대처럼 복사의 빔을 우주 공간에 휘두릅니다. 이 빔이 지구를 스치고 지나갈 때 우리는 그것을 펄서로 봅니다. 마그네타라고 부르는 어떤 중성자별은 자기장이 보통 중성자별보다 최대 1,000배나 강합니다.

NASA에 따르면 태양 질량의 약 20배보다 무거운 별이 무너지면 항성 질량 블랙홀이 생깁니다. 블랙홀은 중력이 너무나 강해서, 사건의 지평선 안쪽에서는 빛조차 빠져나오지 못합니다. 질량이 태양 하나만 한 블랙홀이라면 그 지평선의 반지름은 약 3 km에 불과합니다. 블랙홀은 둘레에 있는 물질에 미치는 영향을 보고 찾아냅니다. 예를 들어 짝별에서 끌려 나온 가스는 블랙홀 둘레의 소용돌이치는 원반에서 뜨겁게 달아오르고, X선으로 빛납니다. NASA는 베텔게우스가 생을 마친 뒤 중성자별이나 블랙홀 가운데 하나가 될 것으로 봅니다. 어느 쪽이 될지는 초신성 폭발 뒤에 남는 질량에 따라 정해집니다. 그리고 그 일은 아마 지금부터 약 10만 년 뒤에 일어날 것입니다.