백색왜성 - [지구과학] 흰 왜성 (White dwarf) 붉은 왜성, 검은 왜성, 갈색 왜성, 청 왜성, 찬드라 세칼 한계, la 형 초신성, 신성

백색왜성

시라세성은 천천히 식어 우주를 감돌는 별이다. 태양과 같은 별은 영원한 일생을 마치고 죽어 백왜성(White dwarf)이 된다. 이에 따라 백억년 정도의 주 계열성, 십억년 정도의 적색 거성으로 왕성하게 에너지를 생산하고 있던 시간을 종결한다. 백색 왜성이 된 태양은 수십억 년에 걸쳐 천천히 식히면서 흐립니다. 다식한 후에도 현재 우주의 나이보다 긴 긴 시간 동안 우주 공간을 감돌게 된다. 모두 죽어 버린 별은 공간을 수영을 계속할 수 있고, 미래가 있는 때에는 블랙홀의 강력한 중력에 흡입될 수 있다.

 

하얗고 작고 어딘가 흐릿해 보이는 백색 왜성에 대한 지구과학 1의 요점은 다음과 같다. ㅇHR도로 주 계열성의 좌하에 분포하는 별이다. ㅇ 태양과 비슷한 질량을 가진 별이 적색 거성을 거친 후 중심부가 수축하여 백색 왜성이 된다. ㅇ 분광형은 주로 A형이다. ㅇ 온도가 높고 흰색을 띤다. ㅇ 태양이 하얀 왜성이 되면 크기는 지구와 비슷합니다. 태양의 크기의 1% 정도다. ㅇ 밀도는 태양의 10^6배로 매우 높다. 따라서 크기가 작음에도 불구하고 질량은 태양의 절반 정도입니다. ㅇ 크기가 작기 때문에 전반적인 적도는 낮은 별입니다. ㅇ 백색 왜성에서는 핵융합 반응은 일어나지 않지만 중력 수축에 의해 에너지가 열로 전환되어 고온 상태를 유지한다. ㅇ 태양진화의 최종 모습은 행성상 성운과 시라세성이다. 백색 왜성은 HR도에서 좌하, 즉 온도는 높지만 광도가 낮은 부분에 밀집되어 있다. 온도가 높기 때문에 하얗게 보이고, 분광형도 A형이다. 그러나 베가(Vega)와 같은 거대한 백색, A형 주계열성의 별이 태양의 크기의 23배에 달하는 것에 비하면 백왜성의 크기는 매우 작다. 태양이 백색 왜성으로 바뀌면 100배나 깨져 그 크기가 정세 지구(태양의 09배, 직경 13,000km)가 된다. 이전 적색 거성 단계에서 대부분의 절반을 날려 버린 상태이지만 태양이 이 정도의 크기로 줄이기 위해서는 매우 압축되어야 한다. 이 백색 왜성의 밀도는 무려 현재의 태양 밀도의 백만(10^6)배가 된다. 백색 왜성의 표면 온도는 태양보다 23배 높다. 그러나 크기가 00으로 작고, L=R^2T^4의 식에 의해 전체의 광도는 매우 낮다. 뜨겁지만 어두운 이 별은 우리 태양이 맞이하는 미래의 모습이다.

 

흰 왜성(White dwarf)이 명명된 것은 1922년으로 거슬러 올라간다. 당시는 우주팽창 이론도, 빅뱅 이론도, 블랙홀에 대한 개념도 없었던 시기였다. 별의 진화 단계, 천체 물리학 등의 연구도 막 시작된 ​​시기였다. 1930년대에는 백색 왜성이 적색 거성의 진화로 만들어진다는 이론이 확립되었다. 1950년대부터는 관측기술의 발달로 몇 가지 증거가 덧붙였다. 인간의 30만년의 역사 가운데 하얀 왜성이 밤하늘의 별들의 마지막임을 알게 된 것은 100년밖에 없었다. 백색 왜성은 태양과 유사한 질량의 별이 경험하는 진화의 마지막 단계입니다. 이 단계에 도달하면 별은 핵융합을 거의 일으키지 않고 수축과 냉각의 긴 침묵 속으로 떨어지게 된다. 핵융합을 하지 않고 복사압(기체압)이 없기 때문에 중력붕괴에 의해 무너져 떨어진다. 그러나 전자축퇴압(Electron degeneracy pressure)이라는 양자역학적 힘에 의해 어떤 점에서 평형에 이른다. 이 상태에서 밀도는 태양의 백만배 정도에 달한다. 행성상 성운을 날려 버리고 한때 뜨겁게 타오른 중심핵의 잔열을 유지하고 있기 때문에 백색 왜성의 표면 온도는 높게 유지된다. 중력 수축에 의한 입자간 반발로 발생한 열도 온도를 높이는데 기여한다.

 

백색 왜성은 질량에 따라 다양한 물질로 구성됩니다. 태양 질량의 배에서 8배의 백색 왜성에는 그 사이의 핵융합 반응으로 만들어진 탄소와 산소가 분포하고 있다. 별이 붉은 거성 단계에서 팽창해 주위의 행성을 포획했기 때문에 행성의 잔해도 포함되어 있다. 만약 태양이 6070억년 후에 백색 왜성이 되면 그 안에는 수성과 금성, 심지어 지구의 물질도 섞여 있을 것이다. 태양 질량의 8배에서 10배 사이의 거대한 백색 왜성은 큰 별의 강한 에너지에 융합된 더 무거운 원소를 포함한다. 산소, 네온, 마그네슘과 같은 물질은 이러한 별을 구성합니다. 태양 질량 배 이하의 작은 별은 헬륨이 주성분이다. 이처럼 작은 별은 아직 수명이 길고 우주연령 138억년 사이에 하얀 왜성으로 발달하지 않았다. 그래서 어디까지나 이론적인 별이다. 헬륨핵을 가진 적색 거성이 주변의 거대한 중력의 천체에 물질을 빼앗으면 중심핵만이 남아 헬륨 백색 거성이 될 수도 있다. 이 형태의 작은 헬륨 백색 왜성은 실제로 관찰되지 않았다. 백색 왜성의 질량은 태양 질량의 배가 한계이다.

 

백색 왜성이 태양 질량의 배에 달했을 때 갑자기 폭발하는 것을 la형 초신성이라고 한다. 항상이 질량으로 폭발하기 때문에 la 형 초신성의 절대 등급은 매번 동일합니다. 따라서 지구에서 la형 초신성 폭발 당시 겉보기 등급을 관측하면 거기까지의 거리를 계산할 수 있다. 태양 질량 배는 찬드라세칼 한계이며, 이 점을 넘으면 내부 전자 축퇴압이 질량에 의한 중력을 이길 수 없다. 그 후 백왜성은 갑자기 붕괴되어 불과 몇 초 만에 핵융합과 동시에 거대한 폭발이 일어난다. 폭발시 온도는 1조K까지 상승한다. 순간적인 핵융합에 의해 질소, 탄소, 산소, 네온, 철, 철보다 무거운 원소도 생겨 우주 안에 흩어진다. 우주중의 철 이하의 경원소 중, la형 초신성 폭발로 만들어진 원소의 비율은 90%에 달한다. 우주의 발생 초기 공간이 작을 때에는 성간 물질과 성운의 밀도가 높고, 백색 왜성이 주위 물질을 흡입하여 덩어리를 키울 기회가 많았다. 이 때문에 백색 왜성들이 질량을 높여가면 찬드라 세칼 한계를 넘어서서 la형 초신성 폭발을 일으키는 경우가 자주 있었다. 그러나 우주가 팽창해 그 빈도는 줄어들어 20억년 전부터는 원래 쌍성계였던 백색 왜성이 주위의 별을 흡입해 폭발을 일으키는 경우가 많아졌다. 백색 왜성의 표면에서 순간적인 핵융합이 일어나는 것을 신성이라고 한다.

 

백색 왜성이 쌍성계를 이룰 때, 주위의 별의 물질을 흡입해, 표면에서 핵융합이 일어나면 신성이 나타난다. 초신성 폭발처럼 백왜성 자체가 사라지는 것은 아니다. 신성에서는 흡수한 물질을 표면의 핵융합을 다 소진하면 다시 빛을 잃고 원래대로 돌아온다. 주변 별의 질량이 거대하고 합쳐진 질량이 찬드라 세칼 한계를 넘으면 초신성 폭발을 하고, 그렇지 않으면 격렬한 핵융합을 마친 뒤 다시 원래대로 돌아온다. 조선왕조실록의 조상실록에서는 하늘에서 갑자기 등장한 객성을 발견한 기록이 있는데, 이는 la형 초신성에 해당하는 것이었다. 반면 그보다 200년 전 세종 실록에도 객성이 기록되어 있지만 이는 신성에 해당하는 것이었다. 초신성 폭발이 더 치열하기 때문에 초신성의 밝기는 신성보다 밝습니다. 인간이 별을 생각하는 것은 신비한 일입니다.

 

백색 왜성은 천천히 식어, 결국 K의 우주 온도와 비슷할 것이다. 현재 발견된 가장 온도가 낮은 백색 왜성의 질량은 태양의 105%이며 표면 온도는 3,000K 정도이다. 태양은 시간이 흘러 현재 질량 50%의 백색 왜성으로 진화할 것이지만, 그런 백세성이 현재 있다고 해도, 지금 138억년의 우주 연령에서는 아직 5,000K 정도 밖에 식지 않을 것이다. 2022년 우리은하에서 지금까지 관측사상 가장 오래된 백선성이 발견되었지만 그 연령은 107억년으로 추정되었다. 작은 인간이 그것도 아주 작은 지구에 앉아 하얀 왜성을 생각하고 있다는 것은 아무래도 진정한 허무한 일이다. 우리는 오랫동안 살아도 100년만 살 수 있습니다. 백왜성은 수조년을 우주를 띄우면서 천천히 식힌다. 밤하늘의 주 계열성의 96%는 태양 질량 10배 이하의 별이다. 그들은 결국 하얀 왜성이 되어 생을 마칠 것이다. 그 때문에 우주 안에서 백왜성의 수는 꽤 많다. 숫자로는 전체 별의 6%를 차지할 정도다. 우리 대부분은 지상 100km 이상의 우주 공간으로 갈 수 없으며 삶을 마칠 것입니다. 하지만 우주 안에 있는 2x10^23개의 별들을 상상해 그 중 오랜 공간에 머물러 있는 하얀 왜성을 생각해 내면 문득 우리의 공간과 시간이 무한히 퍼지는 것을 느끼게 된다. 우리 몸의 원자도 결국 돌아다니며 거대해진 태양에 싸인 후 수십억년 후에 우주에 흩어질 것이다. 그 중 일부는 하얀 왜성의 일부가되어 오랫동안 우주를 수영 할 수 있습니다. 현실적으로는 별로 도움이 되지 않는 상상을 하고 우주를 떠올리는 것은 지구과학 1을 공부하는 큰 즐거움이다.

 

미국에서 펼쳐진 또 다른 탐험 이야기입니다.