태양계의 종말

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<태양계의 종말>

태양이 50억 년 전 처음 탄생했을 때 거의 대부분은 수소로 이루어진 가스 덩어리였다. 하지만 태양은 쉴새없이 수소를 헬륨으로 바꾸면서 50억년이라는 오랜 기간 동안 빛을 내면서 그 연료의 반을 써 버렸는데 나머지 반을 소비하는 데도 비슷한 시간이 걸릴 것으로 추정한다. 적어도 50억 년 정도는 끄떡없다는 뜻이다.

그러나 태양의 말년으로 갈수록 수소를 더욱 많이 소비하므로 온도가 점점 상승하며 덩달아 지구의 표면온도도 증가하게 된다. 태양이 수소연료를 다 써버렸을 때는 지구 표면의 온도는 물의 끓는 점 이상으로 높아져 생물이 살 수 없는 환경이 됨은 자명한 일이다.

태양과 비슷한 항성이 겪게 될 일생을 나타낸 그림. 왼쪽은 별이 태어나는 단계이며, 주계열을 지나 오른쪽으로 수십억 년에 걸쳐 적색거성으로 진화한다

앞에서도 설명했지만 태양이 연소시킬 수 있는 수소를 거의 쓰면서 부풀어 올라 적색거성이 된다. 학자들은 태양이 거성이 되면 수성, 금성을 삼키는데 지구도 삼켜질 가능성이 크다고 주장한다. 물론 지구궤도가 더 밖으로 밀려나가 태양에 삼켜지는 것은 면할 수 있다 하더라도 뜨거운 복사열로 인해 지구의 대기는 다 사라지고 바닷물도 증발한 지 오래되어 지구는 더 이상 생명체가 살 수 있는 행성은 아니다.

이후에도 태양은 진화를 계속하여 외곽부는 계속 팽창하여 결국 중심부분은 수축하여 백색왜성이 될 것이다. 그 지름은 대략 지구의 두 배정도이고, 밀도는 0.1톤/cm³에 이를 것으로 생각한다. 시간이 더욱 흐르면 백색왜성은 더욱 작아지면서 하얗게 빛을 내며 시간이 지나면 백색왜성은 점점 식어가서 마침내 우주의 어둠속으로 사라져 갈 것이다.

하지만 우리가 벌써 그런 걱정을 할 필요는 없을 것이다. 이런 일은 아주 먼 훗날 일어날 일이며, 어쩌면 그 때까지 인류가 존재할 수 있는지는 의문이다. 물론 그 때까지 인류가 존재한다면 과학기술도 엄청나게 발전하여 그런 재난을 미리 막을 수 있거나 보다 더 나은 환경을 가진 다른 행성이나 별로 이주해 갈 수 있을 것으로 생각한다.

 

<안드로메다와 충돌>

태양의 나이가 약 50억 년이므로 앞으로도 50억 년은 더 지탱하다 탄소 위주의 백색위성이 된다. 태양은 백색거성이 되기 전에 연료를 태우면서 100배 이상 커지므로 지구에 흡수되어 한 줌의 재로 변한다. 그래도 탄소를 태우며 결국 죽은 별인 흑색거성이 되어 우주에서 삶을 마무리한다는 것이 태양계의 시나리오다.

대마젤란 은하(LMC)

그런데 태양이 죽음에 이르기 전에 장엄한 장관이 벌어진다. 우리 은하가 마젤란 대성운이라 알려진 왜소 은하를 집어삼키며 가장 가까운 은하인 안드로메다 은하와 충돌한다는 것이다. 마젤란 대성운은 현재 우리 은하에서 겨우 15만 광년밖에 떨어져 있지 않은데 속력이 점점 느려지면서 앞으로 30억 년 후에는 완전히 우리 은하에 통합될 것으로 예측한다.

안드로메다 은하는 안드로메다자리 방향으로 약 250만 광년 떨어져 있는 나선은하이다. 이 이미지는 Messier Objects 32 와 110 뿐만 아니라 NGC 206 (안드로메다 은하의 밝은 별 구름)과 별 Nu Andromedae 도 보여준다 . 이 이미지는 수소-알파 필터를 사용하여 촬영

이 과정에서 백만 개 정도의 별 즉 태양이 우리 은하에 합해지는데 이후 약 7억 년 후 우리 은하가 안드로메다 은하와 충돌할 때 유리하게 작용한다. 한 마디로 우리 은하가 갑이고 안드로메다 은하가 을이라는 뜻이다.

은하와 은하의 충돌은 흔히 있는 일이며 엄밀하게 말하면 타격은 예상 외로 크지 않을 것으로 보인다. 몇몇 별들이 충돌하여 주변의 행성에 무서운 재앙을 내리겠지만 은하 전체가 충돌하는 그런 상황은 아니라는 뜻이다.

태양의 최후는 인간들에게 환상을 알려주는 것으로도 유명하다.

어느 별이든 수소를 다 태우고 나면 중심에 헬륨으로 된 재만 남는다. 수소가 다 떨어지면 핵 반응으로 밖으로 향하던 힘은 사라지고 중력이 모든 것을 안쪽으로 잡아당기기 시작한다. 별의 질량 중 10퍼센트 정도가 헬륨으로 바뀌면 중심핵의 수소가 거의 헬륨으로 바뀌어 처음에는 중심핵이 시간이 지나면서 별 전체가 안쪽으로 수축된다. 이렇게 별의 중심부분에서 수축이 일어나면 온도가 올라간다. 그 뒤 중심 바깥에서 수소가 연소되면서 핵융합반응이 일어나 별의 바깥쪽 부분이 외부로 확장되어 대형화된다. 이를 적색거성(red giant)이라 한다. 태양의 경우 약 50억 년이 지나 금성 궤도 바깥쪽까지 부풀러 오르므로 수성과 금성은 태양에 삼켜지고 지구 표면은 바짝 말라버린다.

태양의 핵융합 반응

적색거성도 변신을 계속한다. 바깥쪽이 부풀어 오르는데도 불구하고 중심은 계속 수축하므로 매우 뜨거워진다. 그러면 수소가 타고 남은 재인 헬륨이 핵융합을 시작한다. 몇 단계의 반응을 거쳐 세 개의 헬륨 원자핵이 합쳐져서 탄소 원자핵을 만든다. 헬륨이 모두 소비되면(태양 같은 경우 수 분 안에 종결) 수축이 다시 시작된다. 부풀어 오른 외부는 밖으로 날아가고 안쪽은 수축을 계속한다. 그런데 이번에는 연료가 떨어졌으므로 수축을 저지할 어떤 힘이 필요한데 이 어떤 힘이 학자들은 전자와 관련 있다고 생각한다. 별 속의 전자들은 합쳐지지 않고 단지 어떤 부피 안에 많은 전자가 몰려 있는데 중심부가 지구 정도의 크기로 수축하면 더 이상 전자를 몰아넣을 공간이 사라진다. 이렇게 되면 안으로 잡아당기는 중력의 힘과 밖으로 밀어내는 전자의 힘이 맞서 이 별은 영원히 안정된다. 이런 평형상태의 별을 백색왜성(white dwarf)이라 한다.

이런 별은 연료가 없으므로 에너지를 내지 못하고 단지 점점 식어가면서 빛을 낸다. 과학자들은 태양 질량의 8배 이하의 질량을 가진 별들이 백색왜성이 된다고 믿고 있다. 그런데 이 경우 흥미있는 현상이 일어난다. 전체가 탄소원자핵으로 되어 있으므로 이 별들은 그야말로 ‘하늘의 다이아먼드’인 셈이다.

다이아몬드는 세상에서 가장 단단한 물질이다. 세상의 그 무엇도 다이아몬드에 상처를 낼 수 없다는 뜻으로 다이아몬드의 가치는 크기에 따라 기하급수적으로 높아지며, 수십 캐럿(1캐럿은 0.2그램) 이상의 다이아몬드는 상상할 수 없는 가격으로 거래된다.

백색 왜성의 핵 안에 숨겨져 있지만 다이아몬드 별의 컷어웨이 뷰는 꽤 반짝일 것이다(BPM 37093)

그런데 놀랍게도 백색왜성 즉 다이아몬드별이 2004년대 초에 발견되었다. ‘BPM 37093’이라는 이름의 이 별은 지구에서 보면 센타우루스자리 쪽으로 50광년쯤 떨어져 있으며, 크기는 지름 약 4,000km로 달과 비슷하지만 질량은 태양과 맞먹는다. 지금까지 지구에서 발견된 다이아몬드 중에서 가장 큰 것이 약 600g에 해당하는 3,100캐럿임을 생각한다면 실로 엄청난 크기가 아닐 수 없다.

다이아몬드 중에서 가장 큰 것

달덩이만한 다이아몬드는 생각만 해도 설레이기 마련인데 BPM 37093의 다이아몬드가 지구의 다이아몬드와 같은지 의문되지 않을 수 없다. 지구의 다이아몬드는 거의 순수한 탄소로 이루어진 광물로서 지하 150〜200킬로미터의 고온 고압 상태에서 만들어진다. 산업계에서는 탄소를 1,600℃의 온도에서 10만 기압으로 압축시켜 인조 다이아몬드를 만든다.

인조 다이아몬드

하지만 백색왜성 내부의 압력은 지구에서 다이아몬드가 만들어질 때보다 백만 배의 백만 배나 높다. 이와 같은 엄청난 고압에서는 원자핵 주변의 전자가 떨어져나가고, 탄소의 원자핵만으로 이루어진 초고밀도의 다이아몬드 결정이 형성되어 각설탕만한 크기의 다이아몬드라 할지라도 그 질량은 수십 톤에 이른다. 사람이 반지나 귀걸이, 목걸이로 만들어 갖고 다닐 수 있는 차원이 아니다. 하지만 태양의 미래가 백성왜성이라고 보면 다이아몬드별은 지구인들에게 매우 친근하게 보일지도 모른다.

태양의 미래가 백성왜성 즉 다이아몬드별이라고 하더라도 그건 50억년 후의 일이다. 가장 흥미로운 것은 BPM 37093 다이아몬드 별을 지구인들이 직접 볼 수 있느냐이다. 그러나 이 문제에 관한 한 현 단계에서는 불가능하다.

BPM 37093별이 지구에서 50광년이나 떨어져 있으므로 이를 갖고 올수도 없는 일이다. 우리나라 속담 중에 ‘그림 속의 떡’이란 말이 있다. 보기에는 좋지만 나에게는 전혀 상관없는 것을 말하는데, 당분간은 다이아몬드 별이 있다는 것으로 만족해야 할 것이다.

 

참고문헌 :

「미다스 왕의 황금과 다이아몬드 별」, 정창훈, KISTI의 과학향기 칼럼, 2004.03.10.

http://cafe.naver.com/chorokgm.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=177

『21세기에 풀어야 할 과학의 의문 21』, 존 말론, 이제이북스, 2003

『노벨상과 함께 하는 지구 환경의 이해』, 김경력, 자유아카데미, 2008