Hertz-Sprung-Russell 다이어그램
별은 빛을 발산하는 기체의 몸을 총칭하는 용어이다. 가스의 몸체는 중력에 대항하기 위해 내부의 높은 온도와 고압력이 필요합니다. 이를 위한 에너지는 대부분 별에서 핵융합입니다.
헤르츠-스프룽-러셀 다이어그램은 수직축에 절대 크기(밝음)를 갖는 항성과 수평축에 있는 스펙트럼 유형(표면 온도)의 분포이다.
HR 다이어그램에서 별의 분포를 보면 대부분 별은 다이어그램의 왼쪽 위(밝고 높은 온도)에서 오른쪽 아래(어두운 온도 및 낮은 온도)까지 연장된 선에 있습니다. 이 선은 메인 시리즈라고 불리고, 이 선에 있는 별들은 메인 시리즈별이라고 불립니다. 주요 별은 안정적인 수소 핵융합 반응을 보이는 별들입니다. 태양은 또한 이 주요 체인별에 속합니다. 주계열성 위와 아래에도 여러 개의 별이 분포되어 있습니다.
주계열성 위의 항성은 주계열성 내 같은 표면온도에 있는 항성보다 밝습니다. 이것은 항성 자체가 큰 지름, 즉 거대한 별을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 이 별 중 많은 수가 중심핵에서 수소 고갈로 노년에 접어들고 있는 적색 거성 별들입니다.
중심선 아래의 별은 중심선의 같은 표면 온도에 있는 별과 비교하여 어둡습니다. 이것은 별 자체가 작은 지름, 즉 혜성을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 이 별 중 많은 수가 백색 왜성이며 핵융합이 멈춘 후생을 마감하고 있습니다.
HR 다이어그램의 주 절차 부분을 제외한 위쪽 중앙에서 아래쪽 중앙까지의 밴드형 영역을 불안정한 영역이라고 하는데, 이는 펄싱 변수별의 다수에 속하기 때문입니다.
별의 생애는?
첫째, 원시별은 성운에서 태어납니다. 이 단계에서는 핵융합 반응이 아직 시작되지 않았고, 수축에 의한 중력 에너지의 방출과 함께 빛납니다. 차갑고 어두운 HR 다이어그램에서 오른쪽 아래에서 왼쪽 위로 이동합니다. 원시별의 표면 온도는 낮지만 지름이 주계열성보다 크기 때문에 절대 크기가 밝고 주계열성 위와 HR 다이어그램의 적색 거성 아래에 있습니다.
중심핵의 온도가 상승하고 핵융합 반응이 시작되면 별들은 원시별에서 주계열성으로 이동하고 그 질량에 따라 주계열성 위의 위치로 이동합니다. 별의 질량이 클수록 핵융합 반응이 강하고 표면 온도가 높고 절대 크기가 밝기 때문에 메인 체인의 왼쪽 상단 모서리에 있습니다. 주계열성에 있는 시간은 별의 질량에 따라 달라집니다. 별의 질량이 클수록 핵융합 반응이 더 강렬해지며 수소 고갈 속도가 빨라지고 메인 체인에 들어가는 시간도 짧아집니다.
핵융합 반응이 진행되며 핵에 수소가 고갈되면서 별은 점차 팽창합니다. 이 때 표면 온도는 떨어지지만 절대 크기는 크게 변하지 않으므로 HR 다이어그램이 주 절차에서 수평으로 이동합니다. 가는 길에 불안정한 구역을 통과하기 때문에 매년 이맘때면 변광성이 됩니다.
이렇게 해서, 붉은 거성이 된 후, 이 거대한 별은 초신성 폭발로 수명을 다합니다. 작은 질량 별에서는 적색 거성에 있을 때 대부분의 외층이 날아가고, 내부의 고온 부분이 노출되어 표면 온도가 올라가지만, 항성 지름이 작아 절대 빛이 어두워진 다음, HR 도표 위로 좌회전하여 백색 혜성이 됩니다. 핵융합 반응이 없어서 냉각이 되고 그 후 어두워져서 점차 HR 지도를 오른쪽으로 내려가서 전체 생애를 마칩니다.
태양만큼 거대한 별의 수명주기
원시별은 초기 별입니다. 그것은 어두운 성운의 상태가 자신의 중력 아래 수축하기 시작하여 가시광선으로 관측할 수 있게 되는 것을 말합니다.
어떤 암흑 성운은 근접한 초신성 폭발 때문인 충격파에 의해 압축되며, 밀집된 지역이 형성되면 중력적으로 강해지며 주변 성운으로부터 물질을 끌어당깁니다. 이것은 중력을 더 강하게 만들 것이고 밀도는 더 빠른 속도로 증가할 것입니다. 이때 중력에 의한 잠재적 에너지가 열로 변화하여 온도가 상승하고 열복사가 시작됩니다. 이것은 원시 별입니다.
주계열성들의 내부 구조
양자는 점차 수축하여 중력에서 열로 전위 에너지를 변환하여 중앙 온도를 높입니다. 중앙의 절대 온도가 섭씨 1천만 도를 넘으면 수소를 헬륨으로 변환하는 핵융합 반응이 시작됩니다. 핵융합 반응으로 생성되는 에너지는 수축을 멈추고 항성을 주계열성으로 만듭니다.
태양 질량의 0.5배 미만의 작은 별에서 중심핵에서 표면까지의 모든 것은 수소 연료와 생성된 헬륨을 혼합한 대류층이며, 균일한 구성을 하고 있다. 그 이유는 온도가 낮아서 광자가 투명하지 않기 때문입니다.
태양과 같은 중지량 별은 핵 안에서 방사선에 의해 잘 작용하기 때문에 대류를 하지 않습니다. 비포장 방사선 층의 핵이 발달하고, 그 위에 대류층이 배치됩니다. 이 별들의 표면은 핵에서 나온 핵융합 물질을 포함하고 있지 않으며 별이 형성되는 성운과 같은 구성을 유지합니다.
태양 질량의 1.5배인 별에서는 대류층이 거의 사라지고 중심핵에서 표면까지 모든 것이 복사층입니다.
태양 질량의 1.5배를 초과하는 별에서 수소를 헬륨으로 변환하기 위한 핵융합 반응은 양성자 연쇄반응보다는 탄소, 질소, 산소에 의해 촉매 되는 수소 융합인 NCO 사이클을 중심으로 이루어집니다. NCO 사이클은 온도에 매우 민감하여서 별의 에너지 생성은 중심에 집중되고 핵 지역에서 대류층이 발달합니다. 열적으로 균형이 잡히고 거의 섞이지 않는 방사선 층이 대류 핵 위에 배치됩니다.
주계열성에서는 핵융합 반응이 격렬해지면 항성 전체가 팽창하여 온도를 낮추고 핵융합 반응을 약화시키며, 핵융합 반응이 약해지면 항성 전체가 수축하여 온도를 높이고 핵융합 반응을 강화합니다. 이렇게 하면 핵융합 반응이 자동으로 조절되기 때문에 온도와 구조가 안정적입니다. 이것은 중앙 수소가 고갈되고 헬륨 핵이 형성될 때까지 계속됩니다.
주홍색 거성
주성 중심부의 수소가 고갈되고 헬륨 핵이 형성되면 헬륨 핵의 표면에서 수소의 융합이 진행되어 헬륨 핵의 질량이 증가합니다. 헬륨 핵은 질량이 증가함에 따라 수축하고 가열됩니다. 중앙에서 온도가 상승함에 따라, 바깥층의 수소가 팽창합니다. 그것이 팽창함에 따라, 별들의 표면 온도는 적색 거성이 되기 위해 감소합니다.
적색 거성의 외층에서는 항성의 중심에서 떨어져 있고 중력의 끌어당김이 약하기 때문에 가스가 점차 주변으로 흘러나옵니다.
태양 질량의 0.5배 이하인 별은 헬륨 퓨즈만큼 뜨지 않아 수소를 그대로 소모한 뒤 핵융합 반응이 없을 때 죽습니다. 바깥 층을 잃은 헬륨의 중심부는 흰 혜성으로 축소되는데, 이 혜성은 열 방사선을 통해 시간이 지남에 따라 서서히 냉각됩니다.
게다가, 태양 질량의 0.5배 이하인 별은 1,000억 년 이상의 수명을 가질 것입니다. 이는 현재 우주의 나이(137억 년)보다 긴 것으로, 이렇게 생을 마감한 별은 없습니다.
태양 질량의 0.5배가 넘는 별들은 헬륨 핵 수축이 진행되며 절대 온도가 섭씨 1억 도를 넘을 때 중심에 있는 헬륨에서 탄소로 핵융합 반응을 경험하게 됩니다. 이렇게 되면 핵융합 반응이 주계열성처럼 안정적이게 되므로 항성 전체가 주계열성에 가까운 상태로 수축하여 복귀하게 됩니다. 이때 별의 외층이 불안정해지고 별 전체가 맥동하는 케프하이드 변압기가 됩니다.
중앙 헬륨이 고갈되면 수소가 고갈되었을 때와 마찬가지로 중앙 탄소의 핵이 수축하기 시작하고, 그 주변에서 헬륨 핵융합 반응이 일어나기 시작합니다. 그리고 나서 그것은 다시 팽창하기 시작하고 별은 붉은 거성이 됩니다. 항성의 바깥층이 일정 범위를 넘어 팽창하면서 불안정해져 펄싱하는 거울 모양의 변광성이 됩니다. 미라 모양의 변광성 들은 맥동하는 것과 동시에 외부 층에서 환경으로 가스를 방출합니다.
태양 질량의 0.5배에서 8배 사이의 항성은 탄소의 융합처럼 중심핵 온도만큼 상승하지 않기 때문에 태양 질량의 0.5배 미만의 항성처럼 바깥 층을 잃은 탄소의 핵은 박혜성으로 수명을 끝냅니다.우리 주변에서 방출되는 가스는 행성상 성운으로 빛납니다.
백색 왜성
적색 거성의 바깥층은 항성의 중심에서 떨어져 있기 때문에 중력에 의해 구속이 덜 되고 가스가 항성 밖으로 점차 흘러나옵니다. 이로 인해 별은 바깥층을 잃고 중심핵을 노출하게 됩니다. 이제, 핵융합 반응을 끝내는 것은 백색 왜성입니다. 누출된 가스는 행성상 성운으로 관측됩니다.
흰 혜성은 별이 진화의 마지막에 취할 수 있는 한 형태이다. 질량은 태양과 몇 분 정도이지만 지름은 지구와 비슷하거나 약간 더 커서 매우 밀도가 높은 물체이다.
이미지(NASA/ESA 작품)는 가장 잘 알려진 박혜성인 시리우스의 혜성(시리우스 B)의 사진입니다. 지름은 태양의 0.016배, 질량은 1.06배이며, 평균 밀도는 물의 400,000배이다.거기서부터, 표면 중력은 태양의 4,100배, 지구의 116,000배 정도로 계산됩니다.
이미지(NASA 작업물)는 스피츠 우주 망원경으로 촬영되며 물병자리(Auaris)에서 유명한 행성상 성운 NGC 7293의 적외선 이미지이다.
이 행성상 성운은 윌리엄 허셜이 망원경을 통해 관찰했을 때 초록색 행성처럼 보이기 때문에 이름을 지었습니다. 태양의 0.5배에서 8배 사이의 별들은 행성상 성운이 된다고 합니다.
일생 말기에 외층은 적색 거성으로 팽창하고, 외층에 있는 기체는 항성의 중력에서 서서히 벗어나 주변으로 방출하여 원시 행성상 성운을 만들어냅니다. 반면에 핵은 자체의 중력 아래 수축하여 고온의 고밀도 박혜성이 됩니다.
이 하얀 혜성은 자외선을 방출하는데, 이것은 적색 거성일 때 방출된 가스에 흡수되면 이온화되어 그 에너지로 빛을 발하게 됩니다. 이것은 행성상 성운입니다.
푸른거성
블루 자이언트별은 높은 온도 때문에 파란색으로 보이는 거대한 별입니다. 지름은 태양의 5배에서 10배 정도이지만 밝기는 수천 배에서 수만 배까지 다양할 수 있다. 하지만, 연료를 태우는 것은 수명이 짧고 수백만 년에서 수천만 년 사이일 수 있습니다.
밝은 별은 푸른 초거성 별이라고 불리며, 많은 별은 지름이 태양보다 몇 배 크고 밝기는 20,000배 이상 큽니다.
청색과 청색의 초거성 별은 적색 초거성(질량, Wolff Erie에 따라 다름)을 통과하여 결국 초신성이 되어 중성자와 블랙홀을 남기는 것으로 생각됩니다.
태양의 8배 혹은 그 이상의 질량은 중심부의 절대 온도가 섭씨 6억 도를 넘을 때 탄소 융합 반응을 일으켜 네온과 마그네슘을 생산합니다.
태양 질량의 8배에서 10배의 별에서, 네온과 마그네슘은 온도가 더 올라가면서 전자 포획에 반응하기 시작합니다. 그러면 중심핵의 압력이 갑자기 떨어져 중력을 지탱할 수 없게 되고, 항성은 한 번에 수축하여 중력이 무너지게 됩니다.
태양 질량의 10배 이상의 항성에서는 핵융합 반응이 더욱 진전됩니다. 코어의 절대온도가 15억℃를 넘으면 실리콘 등이 산소의 융합으로 생산되고, 25억℃를 넘으면 철 등이 실리콘 등의 융합으로 생산됩니다. 원자 번호가 철 근처에 있는 원자핵은 가장 안정된 핵이며, 더는 융합을 일으키지 않습니다.
철핵의 온도가 더 올라가 섭씨 100억 도를 넘으면 철 핵이 헬륨으로 분해되기 시작합니다. 분해는 내열반응이기 때문에 중심핵의 압력이 갑자기 떨어져 중력붕괴를 일으킵니다.
태양의 8배 혹은 그 이상의 질량이 별들이 무너지면, 중력으로부터 엄청난 양의 전위 에너지가 방출되고, 별 전체가 날아가 버립니다.
초신성 폭발
이미지(NASA 작업)는 케플러의 초신성(SN1604)을 보여줍니다. 초신성 잔해입니다. 이것은 스피츠 우주망원경, 허블우주망원경, 찬드라 엑스레이 관측소의 합성 이미지입니다.
태양 질량의 약 10~20배인 별들은 초신성 폭발 후 중력에 의해 지름 10km 정도의 중심핵을 남깁니다. 핵은 중성자 항성으로, 대부분은 중성자로 구성되어 있으며, 매우 강한 중력에 의해 핵으로 흡수됩니다.지 름이 약 10킬로미터이지만 태양만큼 큰 매우 밀도가 높은 별이다.
초신성 폭발 후 중력을 지지하지 않는 태양 질량의 30배가 넘는 별들이 중력 붕괴를 일으키는 블랙홀이 극한으로 축소되는 블랙홀로서 중력 붕괴가 일어납니다.
늑대 레이 스타
주계열성의 중심부에 있는 모든 수소가 헬륨으로 변환되고 수소 껍질 연소 및 헬륨 연소 단계가 들어가면 외층 부가 주계열 밖으로 팽창하기 시작합니다.일반적으로, 그것은 팽창하면서 표면이 식기 때문에 붉은 거성이 됩니다.
그러나 태양 질량의 40배가 넘는 큰 별에서 항상 바람은 팽창 과정에서 중력의 제약을 떨쳐낼 수 있을 만큼 강해서 수소가 풍부한 층을 잃게 됩니다.
그 결과 고온의 내부가 드러나 푸른 거성으로 변합니다. 저는 Wolff Leyeye입니다. 불어난 가스는 항성 주위에 흩어져 있는 성운으로도 빛날 수 있습니다.
월프리는 별의 삶의 마지막 징조이며, 다른 위대한 별들과 마찬가지로 결국 초신성 폭발을 일으키는 것으로 여겨진다.