part 01. 작은 전능자와 큰 전능자

천문학이 말하는 별의 형성과 진화

천문학자들은 별이 형성되는 과정과 진화를 탐구한다. 별은 우주에 떠다니는 가스 덩어리인 성운으로부터 만들어지는데, 성운의 움직임은 자기유체역학(Magnetohydrodynamics) 방정식을 통해 잘 설명된다. 자기유체역학은 말 그대로 자기력의 영향을 고려한 유체역학 방정식이다. 지구에 자기장이 존재하는 것과 같이 성운에도 약한 자기장이 존재하는데, 별의 형성과 진화를 설명하는데 자기장의 역할은 매우 중요하다.

거대한 가스 덩어리인 성운은 중력에 의해 수축한다. 수축이 진행될수록 가스 덩어리의 밀도는 점점 높아지고, 자기장도 점점 강해진다. 자기유체역학에 의하면 기체는 자기력선에 수평한 방향으로는 잘 이동되지만, 수직한 방향으로는 잘 이동하지 못한다. 그래서 시간이 지나면 기체 덩어리는 원반모양이 된다. 은하, 블랙홀 주변의 가스, 태양계 등 각종 천문 관측 사진을 보면, 원반구조를 가진 것들이 많은데, 이는 자기장의 작용 때문이다. 이처럼 중요한 역할을 하는 자기장을 이해하는 것은 천문학자들의 주된 관심사 중 하나이지만, 아직 완벽하게 그 신비를 밝혀내지 못했다. 특히 자기장의 초기 생성에 대한 것은 아직 미스터리로 남아있다.

중력과 자기력의 작용으로 회전하는 원반이 만들어지고, 원반 중앙에는 별의 전단계인 원시성(protostar)이 만들어진다. 기체 덩어리는 원반 주변을 돌면서 서서히 중앙으로 모여들고, 원시성은 점점 질량을 얻으며 성장하게 된다. 이러한 회전원판을 천문학에서는 응축 원판(accretion disk)이라고 한다.

천문학자들은 별이 형성되는 시간에 의문을 가졌다. 1940년대에는 기본 물리법칙을 통해 응축 원판 주변의 기체가 중심으로 모이는 과정을 처음으로 설명했다. 회전하는 기체는 일종의 마찰력인 점성력에 의해 에너지를 잃으며 원판의 중심으로 모인다. 그러나 이러한 설명으로는 별 하나가 형성되려면 우주 나이에 가까운 시간이 필요하다는 모순된 결과가 나온다.

응축 원판에서 일어나는 일은 오랫동안 미궁 속에 빠져 있다가 1991년 발버스(Balbus)와 하울리(Hawley)의 제안으로부터 비밀의 실타래를 풀어나갈 수 있었다. 그들은 응축 원판에 존재하는 자기장에 주목했고, 자기회전불안정성(Magneto-rotational instability)에 의한 난류 소용돌이가 회전 원판의 응축과정을 촉진시킨다는 것을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다. 이 이론은 현재까지 천문학계의 정설로 자리 잡고 있다.

별의 소멸

이렇게 생성된 별은 수소의 핵융합 과정을 통해 빛과 열을 내고, 별의 진화 단계에 따라 더 무거운 원소들을 통해 핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합 반응이란 가벼운 원소가 합쳐서 보다 무거운 원소가 되는 반응으로 엄청난 에너지를 방출한다. 이는 일종의 원자력 에너지로서 화학 에너지에 비해 약 1,000,000배 정도 큰 에너지이다. 그러나 거대한 에너지원을 가진 별도 시간이 지나면 늙고 결국 소멸된다.