태양은 죽어도 블랙홀이 못 돼
태양은 죽어도 블랙홀이 못 돼
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.22 12:25
  • 조회수 2313
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이글이글 우리의 별, 태양. 출처: NASA/SDO
이글이글 우리의 별, 태양. 출처: NASA/SDO

태양의 수명은 얼마나 될까요? 현재 태양은 안정된 수명을 절반 이상 살았다고 하는데요. 학자들은 약 50억년 안에 태양이 수명을 다할 것으로 예상합니다. 당장 10억년 후, 태양은 지구의 바다를 끓게 만들 수 있을 만큼 뜨거워 질 것으로 예상됩니다. 지금으로부터 몇 십 억년 후, 태양은 지구를 뒤덮을 정도의 거대한 적색 거성(red giant)으로 뒤바뀝니다.

 

태양의 끝

초기질량에 따른 별의 일생. 출처: ESA
초기질량에 따른 별의 일생. 출처: ESA

태양은 현재 '주계열성(main sequence)' 적색 왜성으로 분류되는데요. 적색 왜성은 내부 수소를 핵융합 반응을 통해 헬륨으로 바꿈으로써 나오는 에너지를 빛의 형태로 내뿜습니다. 적색 왜성의 내부는 전체적으로 대류층만 있기 때문에 핵융합 과정에서 헬륨이나 기타 무거운 원소가 중심핵에 축적되지 못합니다. 따라서 상대적으로 수소 핵융합이 늦습니다. 덕분에 적색 왜성의 수명은 질량이 큰 별들보다 훨씬 긴데요. 적색 왜성의 질량이 작을 경우 17조 5000억년까지 버틸 수 있다고 합니다. 

 

핵융합 반응으로 수소를 소모하며 80억년의 세월이 지나면 태양의 삶은 조금 더 흥미로워 집니다. 태양 중심부의 수소가 다 떨어지기 때문에 상황은 변화하기 시작하는데요. 남아 있는 건 헬륨 뿐입니다. 문제는 태양의 핵이 헬륨을 태울 정도로 뜨겁거나 밀도가 높지 않다는 점입니다. 

 

별에서 중력은 모든 가스를 중앙으로 끌어당깁니다. 별은 핵융합 반응을 통해 수소를 헬륨으로 바꾸며 중력과 균형을 맞출 수 있을 만큼 충분한 외부 압력을 생성합니다. 그러나 항성의 핵에 태울만한 것이 남지 않게 되면 중력이 그 자리를 대신하게 됩니다. 결국 그 힘은 별의 중심을 압축시켜 여전히 헬륨으로 가득 차 있는 죽은 핵 주위의 작은 껍데기에서 수소를 태우기 시작할 정도로 압축됩니다. 이렇게 태양이 더 많은 수소를 태우기 시작하자마자 태양은 적색 거성(red giant)이 됩니다.

 

지구에 어떤 영향 있을까

태양이 적색 거성으로 변하면 지구에 있는 모든 물이 증발됩니다. 출처: CC BY-SA
태양이 적색 거성으로 변하면 지구에 있는 모든 물이 증발됩니다. 출처: CC BY-SA

적색 거성으로 완전히 거듭난 태양은 팽창하게 될 텐데요. 태양의 표면은 현재 화성 궤도가 있는 곳까지 도달하게 될 것으로 예상됩니다. 지구의 궤도가 약간 바깥쪽으로 확장될 수도 있겠지만 아마도 태양 표면으로 끌려들어갈 가능성이 높아 보입니다. 그러면 지구는 산산조각 나겠죠. 

 

하지만 이러한 과정이 진행되기 전에 지구는 더 큰 문제에 부딪힐 겁니다. 태양이 수소를 모두 소진하기도 전에 태양은 이미 지금의 모습과는 매우 다를 텐데요. 태양은 수소를 소진하는 10억 년마다 밝기를 약 10%씩 높여왔습니다. 즉, 별의 밝기가 증가한다는 건 지구로 쏟아지는 열의 양이 증가한다는 말이기도 합니다. 그 결과 지구가 뜨거워지며 표면의 모든 물은 증발하기 시작할 겁니다. 

 

이렇게 되면 당연히 태양 주위의 거주 가능 지역의 위치 또한 바뀌게 될텐데요. 거주 가능 지역은 행성 표면에서 액체 상태의 물이 안정적일 수 있는, 항성으로부터 거리 범위로 정의되기 때문이죠. 이러한 상황에 놓이면 지구는 더 이상 거주 가능 지역 내에 있지 않게 되는 것이죠. 지구의 물이 모두 증발되고 태양의 중심부에서 수소를 태우는 것을 멈추게 될 때쯤, 오히려 화성은 거주 가능한 지역에 있게 될 겁니다.

 

태양은 죽어서 블랙홀이 될까?

 

적색 거성 이후의 태양은 어떻게 될까요? 죽음에 가까워지면서 그 거대한 몸집이 블랙홀로 바뀌는 건 아닐까요? 

태양 죽으면 블랙홀 될까? 출처: NASA’s Goddard Space Flight Center; background, ESA/Gaia/DPAC
태양 죽으면 블랙홀 될까? 출처: NASA’s Goddard Space Flight Center; background, ESA/Gaia/DPAC

NASA에 따르면 다행히도 태양이 블랙홀이 될 일은 없을 것 같습니다. 블랙홀이 되기엔 너무 작기 때문입니다. 태양이 블랙홀로 수명을 마치기 위해서는 20배는 더 커야 한다고 하는데요. 이 정도 크기이거나 혹은 더 크게 태어난 별들은 수명이 다하면서 초신성으로 폭발할 수 있고 블랙홀로 다시 붕괴될 수 있습니다. 블랙홀은 중력이 너무 강한 천체이기 때문에 빛조차도 빠져나갈 수 없는데요. 

 

일부 더 작은 별들은 초신성이 될 만큼 크긴 하지만 블랙홀이 되기엔 너무 작아서 블랙홀이 될 수 없다고 하는데요. 이러한 별들은 초신성으로 폭발한 후에 중성자 별(neutron stars)이라 불리는 극도로 밀도가 높은 구조로 붕괴됩니다. 하지만 태양은 중성자 별이 되기 위해 필요한 질량의 약 10분의 1밖에 가지고 있지 않습니다. 

태양. 출처: Universith of Manchester
태양. 출처: Universith of Manchester

그렇다면 태양은 어떻게 될까요? 

 

적색 거성으로 변한 태양은 약 10억년 동안 타오를 텐데요. 그러면서 점차 외핵에 있는 수소도 고갈되면서 풍부한 헬륨만을 남기게 될 것입니다. 그러면 그 원소는 산소와 탄소와 같은 무거운 원소로 융합하게 되는데요. 이 반응은 많은 에너지를 방출하지 않습니다. 일단 헬륨이 모두 사라지면 중력이 다시 한번 그 자리를 차지하게 되고 태양은 백색 왜성(white dwarf)으로 줄어들며 모든 외부 물질들은 소멸되며 행성상 성운(planetary nebula)을 남기고 소멸합니다.

 

즉, 태양은 60억년 후 태양은 백색 왜성(white dwarf)으로 최후를 맞이할 겁니다. 백색 왜성은 작고, 밀도가 높은 별의 잔해로 남아있는 열을 이용해 빛을 냅니다. 이 과정은 태양에서 연료가 떨어지기 시작하는, 지금으로부터 약 50억년 후에 시작될 겁니다. 적색 거성에서 백색왜성으로 붕괴하기 까지는 약 10억년이 걸리는 셈이죠. 

태양 백색왜성 되면 이런 모습될까?! 출처: NASA, ESA and T.M. Brown (STScI)
 백색왜성 되면 이런 모습될까?! 출처: NASA, ESA and T.M. Brown (STScI)

영국 멘체스터대학교 천문학자 Albert Zijlstra는 성명서에서 "별이 죽으면 가스와 먼지를 우주로 분출한다"며 "이 외피(envelope)는 별 질량의 절반에 해당할 수도 있다"고 설명합니다. 이어 "이는 별의 핵에 연료가 고갈돼 결국 꺼지고 궁극적으로는 별이 죽어가고 있다는 걸 보여준다"고 덧붙입니다. 

 



##참고자료##

 

 


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