인간만이 생명을 얻고 죽음을 맞이하는 것이 아닙니다. 우주 속 무수한 별들 역시 태어나고 죽음을 맞이합니다. 영원할 것 같은 태양도 지금부터 약 50억 년이 지난다면 아마도 폭발해서 사라지거나 백색왜성이 될 것입니다. 여기서는 백색왜성의 의미와 백색왜성의 모습 그리고 최근 뉴스에 대해서 살펴보겠습니다.
백색왜성이란
우리 인간의 관점에서보면 별의 생명은 무한대로 보일 수 있습니다. 왜냐하면 별들은 약 100억 년 동안 존재를 유지하기 때문입니다. 하지만 우주적인 관점을 바라보면 100억 년이란 시간은 극도로 짧은 기간일 수도 있습니다. 별은 크기에 따라 최후를 맞이하는 방법이 다른데 특히 질량이 작은 별들이 소멸하면 많은 양의 가스를 날려버리고 핵융합 연료를 다 써버리게 되어 중력이 극도로 수축하게 됩니다. 결국 남는 것은 중심부에 탄소나 산소가 뭉쳐 형성된 치밀한 천체인데 이것을 우리는 백색왜성으로 부릅니다. 다만 모든 별이 백색왜성이 되는 것은 아니고 중소형의 별들만 백색왜성이 된다고 하는데 우리가 상식적으로 가장 크다고 생각하는 태양도 우주로 따지면 중소형 별이기 때문에 나중에 백색왜성이 될 것이라고 바라보고 있습니다. 백색왜성이 되는 과정을 간단히 요약하자면 중소형의 별들은 내재된 수소를 계속 태워가며 수십억 년 동안 에너지를 생산하고, 다 태운 후에는 반응이 종료되면 최종적으로 헬륨으로 변환됩니다. 이때 헬륨을 연소하게 되면 별은 기존보다 수백 배 팽창하여 밝게 보이는데, 이 단계를 적색거성 단계라고 합니다. 이 상태에서 주위를 가깝게 도는 행성들이 흡수되어 그중 일부는 백색왜성 대기에 남게 되기도 합니다. 그 후 바깥쪽 대기가 우주로 방출되어 행성상 성운이 형성되고, 핵만 남아 있게 되면 백색왜성이 됩니다. 백색왜성의 크기는 경우에 따라 다를 수 있지만, 대부분 지구 크기 정도이며 질량은 태양의 절반 정도라고 합니다. 처음에는 과학자들이 별이 붕괴하지 않고 지구만큼 크게 유지된다는 사실에 의문을 제기했었지만, 백색왜성의 중력은 크기를 유지하기 위해 수축과 압력을 일정하게 유지하고 있다는 사실을 알게 되었습니다.
백색왜성의 모습
백색왜성은 헬륨이 분해될 때 생기는 무거운 원소가 주를 이루고 있고, 중력에 의해서도 압축되어 있기 때문에 밀도가 굉장히 높으며 온도 또한 높습니다. 그래서 관찰할때 매우 밝고 푸른데, 이것은 그 자체로 에너지를 발생시키는 것이 아니라 핵의 잔열을 발생시키는 것입니다. 그러나 이후 식어가는 과정이 이어지고 최종적으로 식으면 흑색왜성이 되어 보이지 않게 됩니다. 하지만 이것은 어디까지나 추정인 것인데 만약 지구 크기의 별이 식어서 흑왜성이 된다고 가정한다면 산술적으로 약 900조 년이 걸리기 때문에 현재 추정되는 약 140억 년의 우주 나이와 비교하면 실제로는 흑왜성은 아직 없는 것으로 여겨집니다. 현재 백색왜성의 빛은 약 1만 K에서 10만 K 정도이며, 지금까지 발견된 백색왜성 중 가장 추운 것은 약 3,000 K 정도인데, 흑색왜성이 되기 위해서는 5 K 이하로 떨어져야 합니다. 또한 모든 백색왜성이 점차 온도를 잃어가면서 흑색왜성이 되어 사라지는 것은 아닙니다. 다른 경로로 사라질 수도 있는데 그것은 바로 초신성이론입니다. 이를 간단히 설명하자면 다음과 같습니다. 만약 백색왜성이 다른 별의 궤도를 돌고 있는 중에 주변에 다른 별이 있다면 그 별에서 가스와 같은 물질을 흡수할 수도 있는데, 이 경우 밝게 빛나면서 일정 수준 이상으로 폭발할 수 있는 핵융합 반응을 일으킬 수 있습니다. 이때 밝게 빛나는 경우를 신성이라고 하는데, 이 경우 핵융합 반응을 일으킨 물질이 소량 소진된 후에는 다시 빛을 잃게 됩니다. 그러나 만약 수많은 물질로 인해 백색왜성의 총질량이 태양 질량의 1.44배를 넘으면 백색왜성의 내압이 붕괴되어 폭발하게 되는데 이것은 신성이 아닌 초신성이라고 합니다. 이러한 폭발로 인한 붕괴는 우리가 흔히 볼 수 있는 것이라고 합니다. 백색왜성의 초신성 폭발 기준인 1.44배의 태양 질량은 인도의 천체물리학자 수브라마니안 찬드라세카르에 의해 밝혀졌다고 하는데 그는 이 연구로 인해서 노벨 물리학상을 수상했습니다.
흥미로운 최근 뉴스
보통 별들이 백색왜성으로 변화될때 별들이 가지고 있던 수소는 모두 소진하고 핵만 남게 되는 게 일반적이 사실입니다. 지금까지 우리 은하에서 발견된 백색왜성은 30만 개가 이런 공식을 가지고 있습니다. 그런데 최근 절반은 수소, 나머지 절반이 헬륨으로 뒤덮인 백색왜성으로 발견되었다고 합니다. 이 백색왜성은 미국 캘리포니아 공과대학에서 발견하였다고 하며 두 개의 성질을 지니고 있는 백색왜성이라고 하여 로마의 신 이름을 따서 야누스라고 이름 붙였습니다. 야누스를 관찰하면 15분마다 한 바퀴씩 굉장히 빠른 속도록 자전한다고 하는데 이때 수소와 헬륨의 파장이 일정한 간격으로 번갈아 관측되었다고 합니다. 그러나 과학자들은 야누스가 왜 이렇게 나타나는지는 정확한 사실을 밝혀내지 못하고 있습니다. 연구팀은 아마도 야누스가 별의 진화 과정에서 일어날 수 있는 드문 현상을 인류가 처음 목격한 것이라 추측하고 잇습니다. 백색왜성이 되는 가운데 무거운 원소들은 중심부로 가라앉고 가벼운 수소가 위로 떠다니게 됩니다. 만약 별이 식어가면 이러한 물질들이 한데 섞여 안으로 들어가므로 수소가 오히려 내부로 들어가고 표면에 헬륨이 올라와 많이 있는 것처럼 보이게 됩니다. 하지만 이것이 전체 표면에 나타나는 것이 아니라 반쪽으로 나뉘어 진행되는 사항은 여전히 이해되지 않는 사항입니다. 이 또한 연구진에서는 별 주위 자기장의 비대칭이 일어나 반쪽에서만 혼합현상이 일어나지 않을까 추측하고 있다고 합니다. 언젠가 우리 태양은 백색왜성이 될 것이고 적색거성 단계에 다다르면 지구를 포함한 태양계 행성계를 흡수할 것입니다. 이는 아마도 100억 년 후일 것이지만 태양이 지구를 흡수한 후 결국 지구만 한 작은 크기로 변형되어 결국에는 사라질 수 있다는 사실은 다시 한번 우주의 거대함과 결국 영원한 것은 없다는 진리를 다시금 깨닫게 해주는 것 같습니다.