지식보관소_ 우리가 별의 수명을 알 수 있는 이유

 

 

태양이 만들어내는 에너지를

무게당 얼마나 만들어내는지로 변환을 해보면

1톤당 0.006W에 지나지 않습니다.

 

이에 비해 인간이 만들어내는 평균 에너지량은

1톤당 1200W로

지구상의 동물이 무게당 생산해 내는 에너지량은

태양의 20~30만 배에 달합니다.

 

 

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지구는 태양이라고 불리는 항성을 공존하고 있습니다.

태양은 핵융합이라고 하는 현상을 통해서 스스로 에너지를 내는데

이때 발생하는 에너지는

상대성 이론에 의해서 질량이 에너지로 변환이 된 결과입니다.

 

그리고 태양은 이런 에너지를 생성하는 활동을 할 수 있는 기간이

약 124억 년으로 계산이 되고 있습니다.

 

실제로 과학자들은 태양뿐만이 아니라

우주에 있는 별들을 관찰해서

상당히 정확한 별의 예상 수명을 계산해 냅니다.

 

과학자들이 계산해 내는 오차는

현재 수백에서 수천만 년 정도의 오차가 있지만

태양의 수명이 124억 년에 달한다는 것을 생각해 보면

이 정도의 오차는 인간으로 비유를 하자면

임종을 앞둔 환자가

이번 주에 죽을지, 다음 주에 죽을지를

알아낼 수 있을 정도의 엄청난 정확성입니다.

 

그런데 여기에서 궁금한 점이

태양 같은 별들의 수명은 대체 어떻게 알 수가 있는 것일까요?

 

일단 설명에 앞서서

물리학의 굉장히 중요한 특성에 대해서 설명하고 넘어가야 될 것 같습니다.

 

물리학의 굉장히 중요한 특성 중의 하나는

대칭성입니다.

대칭성에 대해서 간단히 설명하자면

제가 이 마우스를 이 방향으로 내버려두거나

혹은 이렇게 거꾸로 돌려놓는다고 해도

이 마우스가 가진 물리적인 특성은 변하지 않습니다.

 

또 이 마우스를 비행기 타고

미국에 가서 사용하던지, 프랑스에서 사용하든지, 한국에서 사용하던지

이 마우스의 성능은 변하지가 않습니다.

심지어 이 마우스를 로켓을 타고 달나라에 가지고 갔다가 돌아온다고 해도

마우스가 파손이 되지 않았다면 기능은 그대로 동작합니다.

 

너무나도 당연한 이야기를 하는 것 같지만

이는 물리학에서 위치가 변한다고 하더라도

물리법칙은 동일하다는 대칭성에 기반합니다.

 

현대 물리에서의 대칭성은 굉장히 중요합니다.

뉴턴 이전만 하더라도

사과는 사과나무에서 이렇게 떨어지는데

밤하늘에 있는 이 달은

땅으로 떨어지지 않는 이유를 몰랐죠.

 

그래서 중력이 발견되기 전까지는

하늘의 물리법칙과 땅의 물리법칙이 다르다라고 그렇게 생각했었습니다.

 

하지만 현재는 사과가 땅으로 떨어지는 원리와

달이 지구를 돌고 있는 이 원리가

똑같다라는 것을 알아내게 됩니다.

 

이처럼 우주는 같은 물리 조건에서 일어나는 현상은

우주 어디에서나 똑같이 일어난다는 그런 대칭성을 가지고 있습니다.

 

대칭성에 대해 길게 설명한 이유는

우리가 그 덕분에 별의 수명을 알 수 있기 때문입니다.

 

만약 특정 온도와 압력 상태에서

수소가 어떤 속도로 핵융합이 되는지 알 수 있다면

우주의 어느 곳이든 같은 분리 조건이라면

같은 속도로 핵융합이 일어나게 될 것입니다.

 

한마디로 태양의 물리조건과 핵융합이 일어나는 속도를 알고

밀도나 온도, 수소, 헬륨의 비율 등이

핵융합 속도에 어떤 영향을 미치는지 알아낸다면

우주의 어떤 별이든 핵융합 속도를 알 수가 있게 된다는 것이죠.

 

많은 사람들이 태양이 만들어내는 에너지가

너무나도 강력하다 보니까

태양이 빠르게 에너지를 만들어낸다고 생각을 하지만

사실 태양이 만들어내는 에너지의 양은

굉장히 작습니다.

 

여기서 “아니 대체 그게 무슨 소리냐?

태양이 1초에 만들어내는 초당 에너지의 양은

3.9x10에 26^26W에 달하는데

선풍기를 1시간 내내 강풍으로 돌린다고 하더라도

40W에 불과한데

태양이 에너지를 적게 만들다니 무슨 소리냐”라고 하실 수도 있으실 텐데

태양의 무게를 기준으로 생각을 해보자면 그렇습니다.

태양은 초당 430만 톤이 에너지로 전환이 되는데

그에 비해서 태양의 부피는 지구의 100만 배가 넘고

질량은 지구의 35만 배에 달합니다.

 

태양이 만들어내는 에너지를

무게당 얼마나 만들어내는지로 변환을 해보면

1톤당 0.006W에 지나지 않습니다.

이에 비해 인간이 만들어내는 평균 에너지량은 1톤당 1200W로

지구상의 동물이 무게당 생산해 내는 에너지량은

태양의 20~30만 배에 달합니다.

 

즉 태양은 지구의 동물보다도

최대 30만 배나 천천히 에너지를 만들고 있는 것이죠.

심지어 전구나 촛불에 비하면 무게당 태양이 만들어내는 에너지량은

수백 수천만 배나 적습니다.

 

태양은 빨리 타는 게 아니라 엄청 심각하게 천천히 타는 것이고

그 덕분에 앞으로도 50억 년 이상 태양은 에너지를 만들 수가 있는 것이죠.

 

그런데 핵융합은 밀도와 온도가 낮을수록 천천히 일어나게 됩니다.

항성 전역에서 핵융합이 일어나는 속도가 매우 느려지기 때문이죠.

 

우주 전역에 있는 별들은

헤르츠스트롱 러셀 도표에서

분광형 M~O형까지로 나타내게 되는데

만약에 항성이 주계열성이라고 본다면

모형에 가까울수록 뜨겁고 밀도가 높은 별이며,

M형에 가까울수록 밀도가 낮고 차갑게 됩니다.

 

이에 근거를 하게 되면

천체만원경과 적외선 스펙트럼 등으로

항성의 분광형뿐만이 아니라 헤르츠스트롱-러셀 도표에서의

그 항성의 위치를 알 수 있다면

그 어떤 별이든 수명을 대략적으로나마 예측을 할 수가 있습니다.

 

준항성에 속하는 갈색왜성을 제외한다면

우주에서 가장 흔하며 가장 작은 행성은 적색왜성입니다.

 

적색왜성은 대부분 분광형 M에 속하는 항성들로

가장 작기 때문에

오히려 수명이 가장 깁니다.

 

예를 들어

태양 질량의 8~10%밖에 안 되는 가장 작은 적색왜성들은

수명이 적어도 10조 년이 넘을 것으로 생각이 됩니다.

반면 분광형 O형에 해당하는 청색 항성들은

수명이 고작 수백만 년에 지나지 않기도 합니다.

 

사람들은 우주에서 가장 큰 별에 대한 그런 영상 같은 것들을 보면서

신기하다라고 하지만

사실은 가장 큰 별이 가장 강력한 별은 아닙니다.

 

태양조차 주계열성 단계가 끝나게 되면

적색 초거성이 될 것이고

가장 큰 별에 속하는 방패자리 UY조차

질량으로 따지면 136a1에 비해서 가볍습니다.

 

하지만 136a1 같은 항성들은

수명이 200만 년 정도에 지나지 않아서

인류가 거주하기엔 적합하지가 않겠죠.

 

오히려 수명이 10조년에 달하는 적색왜성이

인간이 오랫동안 거주하기에는 좋을 수가 있습니다.

 

어쩌면 다이슨 스피어를 건설할 정도의 외계 문명이 존재한다면

은하계에 널려 있는 수천억 개의 적색왜성에 관심을 가지지

수명이 124억 년 정도밖에 안 되는 태양에는

별 관심이 없을 수도 있겠네요.

그럼 오늘은 이만.