별은 영원할까요? 아니면 영원하지 않을까요?
영원히 빛나는 것이 아니랍니다. 별은 태어나고 자라서 나이가 들면 결국에는 사라집니다. 태양도 별이나 마찬가지입니다. 하지만 우리는 그 일생을 모두 볼 수가 없지요. 왜냐하면 별이 탄생하기까지는 10만 년 정도가 걸리고, 태양 같은 별들의 수명은 약 100억 년이나 됩니다. 태양은 이미 자기 수명의 절반인 50억 년 정도를 살았다고 하니까 사라지려면 50억 년이 더 남은 거지요. 사람이 백 살까지 산다고 해도 무려 5천만 배나 더 오래 사는 거지요.
그런데 별은 언제 어떻게 생기는 걸까요?
대폭발이 일어난 후 우주가 빠르게 팽창할 때 우주를 가득 채운 건 수소 원자였어요. 만약 그 원자들이 고르게 퍼져 나갔다면 서로서로 중력의 영향을 받아서 우주는 안정됐을 거예요. 그럼 아마 우주에는 아무것도 생기지 않았겠지요. 하지만 실제로는 원자들이 서로 뭉치기도 했습니다. 시간이 지날수록 수소 원자들은 계속해서 합해졌고 결국 아주 거대한 수소 구름을 만들어 냈습니다. 그게 바로 성운입니다.
성운은 고요하게 빛나는 것처럼 보이지만 안에서는 입자들이 이리저리 움직이느라 정신이 없지요. 그러다가 우연히 한곳에 입자들이 모이는 경우가 생깁니다. 그럼 그때부터 자기들끼리 맴을 돌며 회오리를 만들어 내지요. 그 회오리에 주변 입자들이 점점 빨려 들면 조금씩 커지면서 더 많은 입자를 끌어당깁니다. 그 과정이 계속되면 결국 회오리는 커다란 붉은 공으로 변하게 됩니다. 그때를 원시별 또는 아기별이라고 불러요.
원시별은 크기가 어마어마한 대신 온도는 섭씨 1000도 정도밖에 안됩니다. 그 정도로도 아주 뜨겁지만 별이 만들어지기에는 한참 부족하지요. 그때쯤이면 수소 분자들은 밖으로 나가지 못하고 점점 중심으로 모여듭니다. 그만큼 별의 크기는 줄어들지만 점점 단단해지고, 그 안의 수소 분자들은 서로 부딪치며 열을 내뿜습니다. 그러다가 1000만 도가 되는 순간 별 한가운데에서 ‘아주 강한 핵반응’이 일어나요. 이때 엄청나게 강한 빛과 열에너지가 생겨나 우주로 뻗어 나갑니다. 드디어 별이 탄생한 것입니다. 이때부터 별의 크기는 더는 줄어들지 않습니다. 밖으로 뻗어 나가려는 힘과 안으로 빨아들이는 힘이 서로 같아져서 균형을 이루는 거지요.
태양과 같은 별들의 일생은 어떠할까요?
태양같이 빛나는 별의 수명은 크기와 밀접한 관련이 있어요. 크면 오래 살까요? 아닙니다. 오히려 그 반대이지요. 왜냐하면 별의 크기가 클수록 수소 원자를 빨리 써 버리기 때문입니다. 크기가 큰 별 가운데 어떤 별은 수명이 겨우 300-400만 년 밖에 되지 않아요. 태양의 크기와 안에 있는 수소 원자의 양을 계산해 보면, 태양이 수소 원자를 다 쓰는 데 걸리는 시간은 약 100억 년 정도랍니다. 그렇다면 수소 원자를 다 쓰는 순간에 햇빛은 어떻게 꺼지는 걸까요? 그때가 되면 태양 속 입자들은 중력 때문에 다시 서로 부딪히면서 한 번 더 거대한 열에너지를 만들어 냅니다. 그 열에너지는 태양 표면에 있는 수소 원자들을 자극해 또다시 강한 핵반응을 일으킵니다. 또한 열에너지 때문에 태양은 붉은색을 띠면서 지금보다 약 100배 정도는 부풀어 오를 겁니다. 그때의 상태를 거성이라 부르지요.
적색 거성이 된 태양은 수성과 금성을 집어삼켜 버릴 겁니다. 지구는 태양이랑 너무 가까워지는 바람에 물이 모두 말라버리고 대기마저 타 버려서 죽음의 별이 될 거지요. 그리고 결국 태양에게 집어 삼켜집니다. 하지만 그건 50억 년 후에나 벌어지게 되지요. 그때는 과학 기술이 지금과는 비교되지 않을 만큼 발전할 테니 사람들이 살아남을 방법을 찾아낼 수 있을 겁니다.
태양이 적색 거성으로 사는 기간은 수십 억 년이나 되지요. 그 긴 시간 동안 태양은 서서히 식어 갑니다. 열에너지는 점점 사라지고 그 대신 중력의 힘이 다시 커지면서 크기가 줄어들기 시작하지요. 하지만 크기가 작아지면 다시 핵반응이 시작되고 강한 열에너지도 나오면서 다시 한 번 빠르게 팽창이 일어납니다. 그래서 1000만 년 정도만 지나면 다시 적색 거성이 되지요. 이런 식으로 태양은 몇 번의 팽창과 수축을 규칙으로 반복합니다.
하지만 이 시기가 모두 지나면 태양은 더 이상 안에 있는 가스를 붙잡을 힘도 없게 됩니다. 그럼 가스들은 태양을 벗어나 그 주변으로 퍼져 나가지요. 그럼 중심에는 하얀빛을 내뿜는 백색 왜성, 즉 하얀 난쟁이별이 남아요. 크기는 작지만 중력은 엄청나게 큽니다. 이 별에서는 엄지손가락이 자동차만큼 무겁다고 합니다. 난쟁이 별은 서서히 식어 가면서 언젠가 사라질 날만을 기다리지요.
초신성과 블랙홀
태양보다 더 큰 별들은 태어나는 건 비슷하지만 마지막 과정이 달라요. 핵반응이 끝나고 나면 큰 별들은 적색 초거성으로 변합니다. 그러면 원자들의 힘도 커져서 안정을 찾지 못하고 갑자기 폭발해 눈부신 별 구름이 되고 맙니다. 그것을 초신성 폭발이라고 부르지요.
태양과 비교할 수 없을 만큼 큰 별들의 마지막은 더욱 놀랍습니다. 그런 별은 스스로의 중력 때문에 안으로 계속해서 줄어들다가 결국 블랙홀이 되어 버리지요.
블랙홀은 ‘검은 구멍’이란 뜻입니다. 말 그대로 끝도 없이 강한 중력으로 주변의 모든 것을 진공청소기처럼 빨아들여요. 심지어 빛까지도 말입니다. 도대체 블랙홀은 그 많은 물질을 빨아들여서 어디에 보관할까요? 물론 그냥 사라질 수도 있지만 이론상으로 그런 일은 불가능합니다.
어떤 사람들은 진공청소기처럼 빨아들이는 블랙홀이 있다면, 반대편에 그걸 내뱉는 구멍도 있을 거라고 주장합니다. 그 이론을 바로 블랙홀의 반대 개념인 화이트홀이라고 부릅니다. 블랙홀이 빨아들인 물질은 이동 통로인 웜홀을 지나 반대편의 화이트홀로 빠져나간다는 이론이지요. 그렇다면 그 화이트홀이란 건 구체적으로 어디에 있을까요? 후에 아쉽게도 화이트홀 이론은 조금 낡은 이론이 되어 버렸어요. 모든 것을 흡수하기만 하는 줄 알았던 블랙홀이 사실은 조금이나마 원자를 내보낸다는 사실이 밝혀졌거든요. 블랙홀의 많은 부분이 아직도 수수께끼로 남아 있습니다. 언젠가는 화이트홀이 정말로 존재한다는 연구 결과가 나올 수도 있잖아요. 그때가 되면 다 함께 시간 여행을 다시 떠날 수 있겠지요.
댓글