항성천문학과 우주론에 대한 모든 것

1. 항성천문학

우주를 이해하는 데 가장 중요한 부분을 차지하는 것이 항성과 그들의 진화 과정을 아는 것입니다. 또한 항성 연구에 큰 역할을 한 것이 천체물리학으로 관측, 이론 및 항성 내부 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이루어집니다.

항성은 먼지와 가스의 밀도가 높은 곳으로 알려진 거대 분자 구름에서 생성됩니다. 분자 구름이 불안정한 상태가 되면 중력으로 인해 붕괴하면서 여러 조각으로 깨지게 됩니다. 이렇게 깨진 각각의 조각들이 원시별을 형성하게 됩니다. 중심핵 부분이 충분히 뜨거워지고 밀도가 높아지게 되면 핵융합 작용이 시작됩니다. 여기서 항성의 색 등급도 상에 나타나는 연속적이며 독특한 별의 띠를 일컫는 주계열성이 탄생하게 됩니다. 천문학에서는 수소와 헬륨, 리튬보다 무거운 모든 원소를 중원소라고 부르는데, 이들은 항성의 내부에서 만들어진 것입니다.

주계열성을 벗어난 항성의 진화 과정은 대부분 별의 질량과 관련이 있습니다. 별이 질량이 클수록 중심핵에서 수소 연료를 더 빨리 태우고, 더욱 밝아지게 됩니다. 별이 갖고 있던 수소가 시간이 지나면서 헬륨으로 모두 바뀌면, 항성은 진화 준비를 시작합니다. 헬륨 융합을 일으키기 위해서는 중심핵의 온도가 더 뜨거워져야 합니다. 그래서 항성의 중심핵 밀도와 부피가 커지게 됩니다. 이렇게 부피가 증가한 항성은 적색 거성 단계에 머무르는데 헬륨을 다 태울 때까지 이 단계가 유지됩니다. 질량이 매우 큰 별들은 별도로 헬륨보다 무거운 원소들을 태우는 진화 단계를 거치게 됩니다.

항성의 마지막 모습 또한 최후에 남은 별의 질량에 따라 다양하게 나타납니다. 태양만큼의 질량을 갖는 별은 중심부에 백색왜성을 남기며 행성상 성운의 형태로 질량을 방출합니다. 주계열 단계에서 질량이 태양의 8배 이상이었던 별은 중심핵이 무너지거나 깨지면서 초신성으로 생애를 마무리하게 됩니다. 초신성 폭발 후 중심에 남은 물질은 밀도가 아주 높은 중성자별이 되기도 하고, 또는 폭발 후 남은 질량이 태양의 3배가 넘는 경우 블랙홀로 진화하기도 합니다. 서로 가까이 붙어 있는 쌍성의 경우 더욱 복잡한 진화 과정을 겪게 됩니다. 예를 들어 주성에서 나온 물질이 반성인 백색 왜성으로 흘러 들어가서 신성 폭발을 일으키기도 합니다. 행성상 성운과 초신성은 중요한 역할을 합니다. 중원소를 성간 공간에 퍼뜨리기도 하며, 생명체가 탄생할 재료를 공급하기도 합니다. 만약 성운과 초신성이 없다면 지구형 행성 또한 생겨날 수 없는데, 그 이유가 새롭게 탄생하는 별들과 행성들이 수소와 헬륨으로만 이루어지게 되기 때문입니다.

2. 우주론

물리 우주론(physical cosmology)은 우주의 탄생과 진화 과정과 같은 근본적인 질문을 다루는 분야입니다. 우주 거대구조, 우주 마이크로파 배경, 암흑에너지,  대폭발 핵 합성 등이 우주론의 연구 대상에 속합니다. 우주론의 기본 바탕이 되는 이론은 대폭발 이론입니다. 약 137억년 전, 우주가 시공간의 한 점에서 시작되어 현재까지 팽창하여 왔다는 이론입니다. 이러한 대폭발 이론은 1965년 우주 마이크로파 배경(관측할 수 있는 우주의 모든 공간을 채우는 마이크로파 복사)이 발견된 이후 널리 받아들여지게 되었습니다. 

우주는 팽창하는 동안 중요하고 다양한 과정을 겪게 됩니다. 대폭발 직후인 초기 단계에는 기하급수적인 빠른 팽창을 일컫는 급팽창을 겪었다고 여겨집니다. 이 급팽창으로 인해 우주가 등방적(isotropic)이고 특성이 일정한 모습, 즉 현재 관측되는 모습처럼 되었을 것으로 여겨집니다. 급팽창 이후 단계에는 중수소, 헬륨 등 기본적인 원소들이 만들어졌습니다. 대폭발 핵 합성 또는 원시 핵 합성이라고 부르는 과정이 우주를 구성하는 대부분의 물질(중입자)이 만들어진 이 과정을 의미합니다.

중성 원자들은 우주가 팽창하고 가라앉는 과정에서 처음으로 만들어집니다. 우주가 투명해지는 이유가 이러한 과정 덕분에 빛이 이온화된 전자들에게 방해받지 않고 여행할 수 있게 되었기 때문입니다. 현재 우주 마이크로파 배경으로 관측되는 것이 이때 발생한 빛이라고 할 수 있습니다. 그러나 그 이후에 시기를 우주의 암흑시대(Dark Age)라고 하는데, 그 이유는 아직 빛을 낼 수 있는 별들이 만들어지지 않았기 때문입니다.

처음으로 천체의 생성이 시작된 곳은 우주에 존재하던 작은 밀도 요동에서부터입니다. 밀도가 높은 곳으로 물질들이 모이면서 거대한 가스 덩어리를 만들고, 여기서 처음으로 별들이 탄생하게 됩니다. 이 별들은 내부의 핵융합 과정으로 무거운 원소들을 만들게 됩니다. 이때 발생하는 빛들은 주위의 가스를 이온화시켜서, 재전리 과정(암흑시대 이후 우주의 물질들이 전리된 과정)을 시작하게 합니다. 은하들은 이러한 별들이 중력에 의해 모이면서 처음으로 만들어지게 되고, 이 은하들이 다시 중력에 의해 흩어져 퍼지면서 은하군이나 은하단 같은 더 큰 구조들을 만들게 됩니다. 이는 우주의 거대구조를 만들게 됩니다. 

이러한 우주론의 근본적인 구성성분이 암흑 물질과 암흑 에너지이며, 두 성분을 합쳐서 우주 전체의 96%를 차지한다고 알려져 있습니다. 그러나 암흑물질과 암흑에너지가 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았으며, 현대 우주론과 천문학의 주요 미해결 문제 중의 하나로 남아있습니다.