별의 특성_별의 에너지원과 내부 구조

4. 별의 에너지원과 내부 구조

(1) 원시별의 에너지원

① 원시별에서는 별의 중력이 기체 압력 차에 의한 힘보다 크므로 정역학 평형 상태를 이루지 못하고 중력 수축이 일어나 크기가 작아진다.

 

② 중력 수축 에너지 : 중력 수축 에너지는 별의 탄생이나 진화 과정에서 내부 온도를 높이는 역할을 한다. 반지름이 R0인 원시 성운이 중력 수축하여 반지름이 R인 별이 될 때, 중력 수축에 의해 감소한 위치 에너지 중 일부가 복사 에너지로 전환된다.

 

※ 중력 수축 에너지

별의 구성 물질이 중력에 의해 수축될 때 위치 에너지의 감소로 생성되는 에너지로, 원시별의 에너지원에 해당한다.

 

(2) 주계열성의 에너지원

① 태양이 원시 성운에서 중력 수축에 의해 현재의 크기로 작아질 때까지 방출하는 에너지양은 현재의 태양 광도와 비교했을 때 약 1600만 년 동안 방출한 양에 해당한다. 따라서 중력 수축에 의한 에너지만으로는 나이가 약 46억 년인 태양이 방출하는 에너지의 양을 설명할 수 없다.

 

② 수소 핵융합 반응 : 온도가 1000만 K 이상인 주계열성의 중심부에서는 수소 핵융합 반응에 의해 에너지가 생성된다.

• 4개의 수소 원자핵이 융합하여 만들어진 헬륨 원자핵 1개의 질량은 4개의 수소 원자핵을 합한 질량에 비해 약 0.7% 작으므로 수소 핵융합 과정에서 질량 결손이 발생한다. 이 질량 결손은 아인슈타인의 질량·에너지 등가 원리에 따라 에너지로 전환된다.
• 수소 핵융합 반응에는 양성자·양성자 반응(P-P 반응)과 탄소,질소,산소 순환 반응(CNO 순환 반응)이 있다.
• 양성자·양성자(P-P 반응)은 수소 원자핵 6개가 여러 반응 단계를 거치는 동안 헬륨 원자핵 1개와 수소 원자핵 2개로 바뀌면서 에너지를 생성하는 과정이다.
• 탄소, 질소, 산소 순환 반응(CNO 순환 반응)은 4개의 수소 원자핵이 1개의 헬륨 원자핵으로 바뀌면서 에너지를 생성하는 과정에서 탄소, 질소, 산소가 촉매 역할을 한다.
• 중심부 온도가 1800만 K 이하인 주계열 하단부의 별은 양성자·양성자 반응(P-P 반응)이 우세하고, 중심부 온도가 1800만 K 이상인 주계열 상단부의 별은 탄소, 질소, 산소 순환 반응(CNO 순환 반응)이 우세하게 일어난다. 태양의 경우 중심부 온도가 약 1500만 K 이므로 양성자·양성자(P-P 반응)이 우세하게 일어난다.
• 탄소, 질소, 산소 순환 반응(CNO 순환 반응)은 중심부 온도가 높을 떄 양성자·양성자 반응(P-P 반응)에 비해 시간당 많은 양의 에너지를 생성하므로, 탄소, 질소, 산소 순환 반응(CNO 순환 반응)이 우세하게 일어날수록 별은 밝고, 주계열 단계에서 머무르는 시간이 짧다.

※ 질량·에너지 등가 원리

질량과 에너지는 서로 전환될 수 있다는 것이다. 핵융합 반응에서 감소한 질량을 Δm이라 하고 빛의 속도를 c라고 할 때, 핵융합 반응에 의해 생성되는 에너지양(E)은 Δmc²에 해당한다.

 

 

(3) 적색 거성과 초거성의 에너지원

① 헬륨 핵융합 반응 : 온도가 1억 K 이상인 적색 거성의 중심부에서는 3개의 헬륨핵이 융합하여 1개의 탄소핵을 만드는 헬륨 핵융합 반응이 일어난다.

 

② 더 무거운 원소의 핵융합 반응 : 질량이 큰 별은 중력 수축에 의해 중심부의 온도가 더 높아지기 때문에 헬륨보다 더 무거운 원소들의 핵융합 반응이 일어난다.

▶ 별은 질량에 따라 중심부의 온도가 달라지므로 핵융합 반응이 진행되는 정도는 별의 질량에 따라 결정된다. 별의 질량이 클수록 중심부에서는 헬륨 이후에 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 규소 등의 핵융합 반응이 순차적으로 일어날 수 있다. 핵융합 반응으로 만들어지는 마지막 원소는 철(Fe)이다.

 

핵융합 반응 순서 : H -> He -> C -> ····· -> Fe

 

(4)별의 내부 구조

① 주계열성

• 주계열성의 내부는 중심핵처럼 에너지를 생성하는 영역과 생성된 에너지를 표면으로 전달하는 부분으로 나눌 수 있다.
• 별의 중심핵에서 생성된 에너지는 주로 복사와 대류를 통해 별의 표면으로 전달된다. 이 중 대류는 온도 차가 클 때 에너지를 효과적으로 전달하는 방법이다. 복사를 통해 에너지를 전달하는 영역을 복사층, 대류를 통해 에너지를 전달하는 영역을 대류층이라고 한다.
• 질량이 태양 정도인 주계열성은 수소 핵융합 반응이 일어나는 중심핵을 복사층과 대류층이 차례로 둘러싸고 있다.
• 질량이 태양 질량의 약 2배보다 큰 별의 경우 중심부의 온도가 매우 높기 때문에 중심부에 대류가 일어나는 대류핵이 나타나고, 바깥쪽에 복사층이 나타난다.

② 주계열 단계 이후 별릐 내부 구조

• 질량이 태양 정도인 별 : 주계열성 내부에서 수소 핵융합 반응이 끝나면 중심에 헬륨핵이 생성되고, 헬륨핵의 중력 수축으로 발생한 에너지가 중심부 외곽에 공급되어 헬륨핵 외곽(수소 껍질)에서 수소 핵융합 반응이 일어난다. 또한 바깥층은 팽창하여 크기가 커지고 표면 온도는 낮아져 적색 거성이 된다. 중심부의 온도가 계속 상승하여 1억 K에 도달하면 헬륨 핵융합 반응이 일어나 탄소와 산소로 구성된 핵이 만들어진다. 질량은 태양 정도인 별은 중심에서 헬륨 핵융합 반응까지만 일어난다.
• 질량이 매우 큰 별 : 질량이 매우 큰 별은 중심부 온도가 매우 높기 때문에 더 높은 단계의 핵융합 반응이 일어나며, 최종적으로 철로 이루어진 중심핵이 만들어진다. 또한 별의 내부는 중심으로 갈수록 더 무거운 원소로 이루어진 양파 껍질 같은 구조를 이룬다. 별의 바깥층은 적색 거성보다 더 크게 팽창하여 적색 초거성이 된다.

※ 초거성

질랴이 매우 큰 별이 주계열 단계 이후 크기가 매우 커진 단계이다. 초거성의 내부에서 양파 껍질과 같은 구조를 이루고 있을 때, 각 껍질에서는 여러 가지 원소들이 핵융합 반응으로 에너지를 생성한다.