별은 어디서 왔는가?
필멸의 인간에게 별은 고정되고 변하지 않는 것처럼 보입니다. 실제로 우리 지역의 별인 태양은 지구상의 생명체가 발생하고 진화하며 자신의 기원과 운명을 숙고하기 시작할 수 있을 만큼 오랫동안 거의 동일하게 유지되었습니다. 그러나 우리의 관점은 우리의 짧은 존재로 인해 왜곡됩니다. 기록된 모든 인류 역사는 태양과 지구 나이의 백만 분의 1도 되지 않습니다. 6장에서 우리는 약 46억 년 전에 원시 태양을 둘러싼 가스와 먼지의 소용돌이치는 원반에서 태양계가 어떻게 형성되었는지에 대한 이야기를 들려주었습니다. 이제 우리는 그 이야기로 돌아갈 준비가 되었지만 다른 초점을 가지고 있습니다. 먼저 한 걸음 물러서서 태양과 태양계, 그리고 크고 작은 다른 모든 별을 탄생시킨 성간 환경을 살펴보겠습니다. 그런 다음 성주 위 원반 중앙에 있는 원시성에 주의를 집중하고 그것이 별이 되는 것을 지켜볼 것입니다.
성간 매체
태양은 성간 매질에서 형성되었으므로 우리 은하수 지역에 있는 성간 매질의 화학적 조성이 태양의 화학적 조성과 유사하다는 것은 그리 놀라운 일이 아닙니다(그림 9.5의 "천문학자의 주기율표" 참조). 성간 매질에서 원자핵의 약 90%는 수소이고 나머지 10%는 거의 모두 헬륨입니다. 더 무거운 원소는 원자핵의 0.1%, 즉 성간 매질 질량의 약 2%에 불과합니다. 성간 물질의 약 99%는 기체이며, 우리 주변 공기 중의 분자와 마찬가지로 자유롭게 움직이는 개별 원자 또는 분자로 구성됩니다.
그러나 성간 가스는 우리가 숨 쉬는 걸쭉한 수프보다 훨씬 더 희미합니다. 주변 공기의 각 입방 센티미터에는 약 2.5 × 10개의 분자가 포함되어 있습니다. 좋은 지상 진공 펌프는 성간 가스의 평균 밀도, 즉 성간 매질이 갖는 단위 부피당 질량과 동일한 양을 가지려면 25,000광년 길이의 튜브로 늘려야 합니다! 달리 말하면, 눈과 옆 바닥 사이의 공기 기둥에는 태양계에서 은하계 중심까지 뻗어 있는 동일한 단면을 가진 기둥에 성간 가스가 있는 것과 거의 같은 양의 물질이 있습니다.
이 밀도를 입방센티미터(cm) 당 약 10 분자(밀도의 약 10억 분의 1)로 줄입니다. 이에 비해 볼 때, 성간 매질의 평균 밀도는 1 원자/센티미터 미만인데, 지금도 밀도는 100억 분의 1입니다! 이 개념을 더 명확하게 이해하려면 한 변이 1cm, 길이가 1미터이고 공기로 채워지고 양쪽 끝이 밀봉된 정사각형 튜브를 상상해 보십시오. 또한 단면을 변경하지 않고 튜브를 늘릴 수 있다고 상상해 보십시오. 그렇게 할 때 튜브의 공기는 더 큰 부피를 채우기 위해 퍼져야 하므로 밀도가 낮아집니다. 튜브를 10미터 길이로 늘리면 내부 공기의 밀도는 주변 공기의 10분의 1이 됩니다.
성간 가스는 온도와 밀도가 다릅니다
우리 은하계 내의 성간 공간을 채우는 가스와 먼지는 고르게 퍼져 있지 않습니다. 모든 성간 가스의 약 절반은 성간 공간 부피의 약 2%입니다. 이러한 상대적으로 밀도가 높은 지역을 성간 구름이라고 합니다. 성간 구름은 수증기가 응축되어 액체 방울을 형성하는 위치인 지구 구름과 다릅니다. 오히려 성간 구름은 주변 지역보다 성간 가스가 더 집중된 곳입니다. 성간 가스의 나머지 절반은 성간 공간 부피의 나머지 98%를 통해 퍼져 있습니다. 이것을 구름 간 가스라고 하며, 구름 사이에서 발견되는 가스를 의미합니다. 구름 간 가스의 특성은 장소에 따라 다릅니다. 일부 구름 간 가스는 매우 뜨겁고 온도는 수백만 켈빈에 달하며 별 중심에서 발견되는 온도에 가깝습니다. 그렇다 하더라도, 만약 당신이 뜨거운 구름 간 가스의 광활한 속에서 표류하게 된다면, 당신의 첫 번째 걱정은 얼어 죽는 것일 것입니다! 가스는 뜨겁기 때문에 가스를 구성하는 원자가 움직이고 있습니다.
매우 빠르게; 그래서 이 원자 중 하나가 당신에게 부딪히면 그것은 당신을 매우 세게 때립니다. 그러나 가스도 매우 희박합니다. 일반적으로 단일 원자를 찾으려면 리터(1,000cm) 이상의 뜨거운 구름 간 가스를 검색해야 합니다. 공기 1리터에서 발견되는 질량 정도인 뜨거운 구름 간 가스 1g을 모으려면 가장자리에서 8,000km가 넘는 큐브에 모든 가스를 모아야 합니다! 주어진 부피의 뜨거운 구름 간 가스에는 원자가 너무 적어서 원자가 거의 부딪히지 않으므로 이 백만 켈빈 가스는 당신을 따뜻하게 유지하는 데 거의 도움이 되지 않습니다. 주변의 가스가 손실된 에너지를 대체할 수 있는 것보다 훨씬 빨리 에너지를 방출하고 냉각될 것입니다.
초신성이라고 합니다. (우리는 16장과 17장에서 초신성 이야기로 돌아갈 것입니다. 지금은 이것이 매우 활기찬 이벤트라는 것을 아는 것으로 충분합니다!) 우리 태양계는 밀도가 입방센티미터당 약 0.005개의 수소 원자이고 너비가 최소 650광년인 뜨거운 구름 간 가스의 희박한 거품 내부에 위치하고 있습니다. 일부 천문학자들은 이것이 30만 년 전 초신성 폭발로 인해 생성된 뜨거운 거품의 잔해라고 제안했습니다. 태양의 코로나에 있는 백만 켈빈 가스와 마찬가지로 뜨거운 구름 간 가스는 전자기 스펙트럼의 에너지 X선 부분에서 희미하게 빛납니다. X선은 지구 대기를 투과할 수 없기 때문에 뜨거운 구름 간 가스에서 나오는 방사선을 관찰하려면 대기 위로 올라갈 필요가 있습니다. 그러나 로켓 및 위성 탑재 X선 망원경의 경우 태양계가 잠겨 있는 백만 켈빈의 뜨거운 가스 거품에서 나오는 희미한 X선으로 하늘 전체가 빛납니다.
차갑고 밀도가 높은 가스의 영역을 구름이라고 합니다
앞서 언급했듯이 구름 간 가스는 성간 공간 부피의 98%를 채우지만 성간 가스 질량의 절반만 차지합니다. 나머지 50% 성간 가스는 은하 부피의 2%만 차지하는 훨씬 더 밀도가 높은 성간 구름에 집중되어 있습니다. 대부분의 성간 구름은 주로 중성 원자 수소(즉, 고립된 중성 수소 원자)로 구성됩니다. 이 구름은 따뜻한 구름 간 가스보다 훨씬 차갑고 밀도가 높습니다. 온도는 약 100K이고 밀도는 입방 센티미터당 약 1-100개의 원자 범위입니다. 그러나 100 원자 / cm의 밀도에서도 이 물질의 1g을 수집하려면 가장자리에서 180km 떨어진 상자에 모든 가스를 모아야 합니다.
지구상에서는 원자를 단독으로 찾는 것은 드문 일이며, 대부분의 원자는 분자에 묶여 있습니다. (예를 들어, 지구 대기에서는 아르곤과 같은 비반응성 가스만 일반적으로 원자 형태로 발견됩니다.) 그러나 지금까지 우리가 만난 성간 가스는 분자가 아닌 고립된 원자로 구성되어 있습니다. 그 이유는 대부분의 성간 구름을 포함한 대부분의 성간 공간에서 분자가 오래 생존하지 못하기 때문입니다. 성간 가스가 너무 뜨거우면 존재하는 모든 분자는 분자를 다시 구성 원자로 분해하기에 충분한 에너지를 가진 다른 분자 또는 원자와 곧 충돌하게 됩니다. 중성 수소 구름의 온도는 일부 분자가 생존할 수 있을 만큼 충분히 낮을 수 있지만 여기에서도 다른 과정이 형성될 수 있는 모든 분자를 곧 파괴할 것입니다. 분자를 분해하기에 충분한 에너지를 가진 별빛 광자는 중성 수소 구름을 관통할 수 있습니다. 먼지가 분자를 산산조각 내는 데 필요한 상대적으로 낮은 에너지의 광자조차도 효과적으로 차단하는 가장 밀도가 높은 성간 구름의 중심부에서만 성간 화학이 기회를 얻습니다. 명백한 이유로 이러한 먹구름을 분자 구름이라고 합니다.
모든 별이 똑같이 만들어지는 것은 아닙니다
우리는 별이 광범위한 질량을 가질 수 있음을 발견했습니다. 태양 질량의 ⁄ 미만에서 태양 질량의 100배까지 다양합니다. 별의 질량을 결정하는 것은 무엇입니까? 이 질문에 대한 답은 불분명하며 현재 진행 중인 많은 연구의 주제입니다. 한 가지 명백한 가능성은 형성 중인 별이 주변의 모든 가스를 소진할 때까지 성장한다는 것입니다. 단순히 재료가 부족하다고 해서 더 커지지 않습니다. 이 설명은 이해하기 쉽지만 별이 실제로 어떻게 형성되는지에 대한 우리의 관찰과 일치하지 않습니다. 우리 이야기의 이 시점에서 수축하는 원시성은 붕괴되는 분자 구름 핵의 중심에 있으며, 이는 총질량이 태양 질량보다 수십만 배 더 클 수 있는 분자 구름 내부의 밀도가 평균보다 높은 영역입니다. 관측에 따르면 대부분의 상황에서 별 형성은 매우 비효율적인 과정입니다. 분자 구름에 있는 물질의 작은 부분(아마도 몇 퍼센트)만이 그 안에서 형성되는 별의 일부로 끝납니다. 분자 구름에 있는 대부분의 물질이 실제로 원시별에 떨어지는 것을 막아야 합니다. 이 무언가가 무엇인지에 대한 많은 아이디어가 있습니다. 한 가지 흥미로운 가능성은 형성 별이 자체 질량을 제어한다는 것입니다.