태양의 죽음

태양이 적색거성으로 부풀었다가 백색왜성으로 사그라드는 과정

단계별로

오늘의 태양

태양은 46억 살로, 일생의 절반쯤을 지났습니다. 매초 핵에서 약 6억 톤의 수소를 헬륨으로 바꾸고, 이때 나오는 에너지로 빛나고 있습니다.

핵 깊숙한 곳, 약 1,500만 °C에서 수소 원자핵들이 부딪쳐 헬륨으로 융합합니다. 그때마다 약간의 질량이 사라져 에너지가 되는데, 아인슈타인의 E = mc²가 말하는 그대로입니다. 매초 약 400만 톤입니다. 이 에너지가 우리가 보는 표면까지 나오는 데는 수천 년이 걸립니다.

별이 늙어 가는 모습을 보려고 수십억 년을 기다릴 수는 없지만, 그럴 필요도 없습니다. 하늘에는 태어난 지 얼마 안 된 별부터 죽은 별까지, 일생의 모든 단계에 있는 태양 질량 정도의 별이 가득합니다. 이 모두로 검증한, 별이 어떻게 작동하는지에 관한 컴퓨터 모형이 이어지는 이야기를 들려줍니다.

여기 나오는 크기, 온도, 시기는 클라우스페터 슈뢰더와 로버트 코넌 스미스가 만든 그런 태양 모형 가운데 하나에서 가져왔습니다. 이 모형은 태양이 마지막 바깥층을 벗어 버릴 때까지 따라갑니다.

점점 더 밝게

핵에 헬륨이 쌓이면서 태양은 천천히 밝아져, 10억 년마다 약 10%씩 밝아집니다. 약 10억 년 뒤에는 그것만으로도 지구의 바다가 끓어 말라 버립니다.

태양의 불이 남긴 재인 헬륨이 핵에 쌓입니다. 그러면 핵이 더 세게 눌리고 뜨거워져서 수소가 더 빨리 융합하고 태양은 더 밝게 빛납니다. 태어났을 때 태양의 밝기는 오늘의 약 70%에 불과했습니다.

초록색 고리는 생명 가능 지대로, 지구 같은 행성이 액체 상태의 물을 지닐 수 있는 곳입니다. 태양이 밝아지면 고리는 바깥으로 옮겨 갑니다. 약 10억 년 뒤 고리의 안쪽 가장자리가 지구를 지나갑니다. 공기는 열을 더 가두는 수증기로 가득 차고, 바다는 끓어 증발하기 시작합니다. 높은 하늘에서는 햇빛이 물을 쪼개고, 그 수소는 우주로 달아납니다.

이 단계가 끝날 무렵, 지금으로부터 약 54억 년 뒤에 태양은 오늘보다 거의 두 배 밝아지고, 생명 가능 지대는 화성 궤도까지 옮겨 가 있을 것입니다.

핵의 연료가 바닥나다

약 54억 년 뒤 핵의 수소가 바닥납니다. 핵은 줄어들며 뜨거워지고, 그 둘레의 껍질에서 수소가 계속 타며, 태양의 바깥층은 부풀기 시작합니다.

가운데에 연료가 없어지면 헬륨 핵은 자신을 버티지 못하고 줄어들기 시작합니다. 눌리면서 뜨거워지고, 그 열이 둘레의 얇은 껍질에 있는 수소에 불을 붙입니다. 이 껍질은 핵이 탔던 어느 때보다 빠르게 탑니다.

남는 에너지가 태양의 바깥층을 밖으로 밀어냅니다. 바깥층은 퍼지면서 식고, 태양은 노르스름한 흰색에서 주황색으로 바뀝니다. 점선 원은 오늘의 크기입니다.

모든 별은 핵의 수소가 바닥나면 이 지점에 이르고, 무거운 별일수록 더 일찍 이릅니다. 태양 질량의 두 배인 별은 약 10억 년 만에 여기에 도달하지만, 가장 작은 적색왜성은 수조 년 동안 빛날 것입니다. 우주가 지금까지 존재해 온 것보다 훨씬 긴 시간입니다.

적색거성

표면의 중력은 오늘보다 약 10만 배 약해집니다. 그곳에서는 끓는 가스가 몇 개의 거대한 세포를 이루며 솟아오르는데, 세포 하나하나의 폭이 지구에서 태양까지의 거리와 맞먹습니다. 2017년 칠레의 VLT 망원경이 적색거성 두루미자리 π¹에서 이런 세포를 보았습니다.

이렇게 약하게 붙잡혀 있는 표면은 쉽게 날아가 버립니다. 강한 바람이 태양이 가장 커지기 전에 질량의 3분의 1을 실어 갑니다. 끌어당기는 질량이 줄어서 행성의 궤도가 넓어집니다.

지구의 운명

그보다 훨씬 전에 지구는 그을리고 녹아내린 세계가 됩니다. 태양이 지금보다 천 배 밝아지면 지구에 닿는 열이 바위를 녹일 만큼 됩니다.

거성 가까이 있는 행성은 거성에 불룩한 부분을 만듭니다. 달이 지구의 바다에 밀물과 썰물을 일으키는 것과 같습니다. 이 불룩한 부분이 당기는 힘이 행성을 느리게 하고, 행성은 나선을 그리며 안쪽으로 떨어집니다. 슈뢰더와 스미스의 모형에서는 이것이 지구 궤도가 넓어지는 효과를 이겨서, 지구는 금성보다 100만 년 뒤에 삼켜집니다.

질량을 잃는 양이 다른 모형에서는 지구가 더 넓은 궤도로 빠져나갑니다. 아슬아슬한 경주이고, 답은 거성이 질량을 어떻게 잃는지에 달려 있는데, 이는 아직 측정되고 있습니다.

헬륨 섬광

꼭대기에서 핵은 약 1억 °C에 이르고, 헬륨이 한꺼번에, 섬광처럼 융합하기 시작합니다. 그 뒤 태양은 오늘 크기의 약 11배로 줄어들고, 1억 년 넘게 헬륨을 태웁니다.

헬륨이 탄소와 산소로 융합하려면 약 1억 °C가 필요합니다. 이 무렵 태양의 헬륨 핵은 아주 빽빽하게 채워져 있어서, 뜨거워져도 기체처럼 팽창하며 식지 않습니다. 그래서 헬륨이 융합하기 시작하자마자 걷잡을 수 없게 됩니다. 몇 초 동안 핵은 은하 하나 전체와 맞먹는 에너지를 냅니다.

그 에너지는 조금도 밖으로 나오지 않습니다. 핵을 느슨하게 하는 데 쓰이고, 표면에는 아무것도 드러나지 않습니다. 그 뒤 핵은 헬륨을 차분히 태우고, 태양은 안정됩니다. 적색거성일 때보다 훨씬 작지만, 여전히 오늘보다 약 50배 밝습니다.

이 단계의 별은 흔합니다. 별의 색과 밝기를 나타낸 그래프에서 한 덩어리로 모이거나, 오래된 성단에서는 천문학자들이 수평 가지라고 부르는 띠에 늘어섭니다.

다시 거성으로

핵의 헬륨마저 바닥나면 태양은 다시 거성으로 부풉니다. 이번에는 탄소와 산소로 된 핵 둘레입니다. 약 10만 년마다 타는 껍질들이 확 타오르고, 태양은 바깥층을 뿜어냅니다.

이제 헬륨은 탄소와 산소 핵을 감싼 껍질에서, 수소는 그 바깥의 또 다른 껍질에서 탑니다. 둘은 번갈아 일합니다. 수소 껍질이 헬륨을 쌓다가 헬륨 껍질이 확 타오르는데, 이것이 열 펄스이고, 그 뒤 다시 잠잠해집니다.

이번에 태양은 오늘 크기의 약 180배까지 커지는데, 적색거성일 때보다 작아서 화성과 그 바깥의 행성은 무사합니다. 남은 질량의 5분의 1 가까이를 가스와 먼지의 느린 바람으로 잃습니다.

이렇게 죽어 가는 거성은 가스와 먼지 껍질에 싸여 있습니다. 적색거성 조각가자리 R 둘레에서 ALMA 망원경은 이런 펄스 가운데 하나로 뿜어낸 껍질을 보았습니다. 우리 은하의 먼지 가운데 상당수가 이런 바람 속에서 만들어졌습니다.

빛나는 구름

행성상 성운은 행성과 아무 관계가 없습니다. 옛 망원경으로 보면 행성처럼 둥글게 보였을 뿐입니다. 우리 은하에서 수천 개가 알려져 있고, 하나하나가 태양 같은 별의 마지막 숨입니다.

드러난 핵은 주로 자외선으로 빛나는데, 이 빛은 가스 속 원자에서 전자를 떼어 냅니다. 원자가 다시 전자를 붙잡으면 원소마다 고유한 색으로 빛납니다. 뜨거운 핵 가까이에서는 산소가 청록색으로, 더 바깥에서는 수소와 질소가 붉게 빛납니다. 여기의 색도 실제 성운처럼 이 규칙을 따릅니다.

오랫동안 천문학자들은 태양처럼 가벼운 별은 눈에 보이는 성운을 만들지 못한다고 생각했습니다. 핵이 너무 천천히 뜨거워져서 가스가 빛을 받기 전에 흩어져 버린다는 것이었습니다. 2018년에 발표된 새 모형은 핵이 충분히 빨리 뜨거워진다는 것을 보여 줍니다. 태양의 성운은 희미하겠지만, 다른 은하에서도 보일 만큼은 밝을 것입니다.

가스는 초속 수십 킬로미터로 밖으로 날아갑니다. 약 10,000년이 지나면 빛나기에는 너무 희박해져서 은하로 흩어지고, 언젠가 새로운 별과 행성의 일부가 될지도 모릅니다.

백색왜성

백색왜성은 밀도가 아주 높아서 찻숟가락 하나 분량이 자동차 한 대만큼 무겁습니다. 백색왜성을 버티는 것은 전자뿐입니다. 자연이 허락하는 한 가장 가깝게 눌린 전자들이 더 눌리기를 거부합니다.

전자가 버틸 수 있는 데에도 한계가 있습니다. 어떤 백색왜성도 태양의 약 1.4배보다 무거울 수 없습니다. 그보다 무거우면 전자마저 버티지 못하고 별은 더 무너집니다.

밤하늘에서 가장 밝은 별의 동반성인 시리우스 B가 이런 백색왜성입니다. 질량은 태양과 비슷하고 크기는 지구보다 작습니다.

천천히 스러지다

살아남은 행성들은 오늘보다 거의 두 배 넓은 궤도로 백색왜성 둘레를 돕니다. 수십억 년에 걸쳐 백색왜성은 식고 희미해집니다. 우주의 어떤 백색왜성도 아직 완전히 어두워질 시간이 없었습니다.

백색왜성은 남은 열로만 빛납니다. 처음에는 빨리 식다가 점점 더 느리게 식습니다. 알려진 가장 오래된 백색왜성들은 약 100억 년째 식고 있는데도 여전히 희미하게 빛납니다. 차갑고 어두운 흑색왜성이 되려면 우주가 지금까지 존재해 온 것보다 훨씬 긴 시간이 걸립니다.

많은 백색왜성에는 소행성과 행성의 잔해인 암석 먼지가 떨어져 내립니다. 아직 행성을 거느린 것도 있습니다. 2020년에는 백색왜성 WD 1856+534를 도는 목성만 한 행성이 발견되었습니다.