밤하늘을 가득 채운 수많은 별들은 저마다 독특한 성질과 이야기를 품고 있습니다. 관측 역사상 가장 차가운 온도를 가진 별, 상상을 초월하는 엄청난 크기의 초거성, 극도로 높은 밀도를 자랑하는 중성자별, 그리고 우리에게 친숙한 태양과 닮은 쌍둥이 별까지 우주의 신비로운 항성들을 상세하게 소개해 드립니다.
우주에서 발견된 가장 극단적이고 특이한 항성들
밤하늘을 바라보면 모든 별이 태양처럼 뜨겁고 밝게 빛날 것 같지만, 실제 우주에는 우리의 상식을 뛰어넘는 특이한 별들이 가득합니다. 항성 중에서 가장 온도가 낮은 천체로 알려진 것은 바로 갈색 외성 쌍성계에 속한 cfbd SIR 1458+ 10B라는 별입니다. 이 별은 지구로부터 목동자리 방향으로 약 75.4광년 떨어져 있습니다. 놀라운 점은 이 별의 표면 온도가 대략 섭씨 60도에서 100도 사이에 불과하다는 사실입니다. 우리가 흔히 방문하는 사우나의 온도가 섭씨 40도 정도임을 감안하면 목욕탕 물보다 조금 더 뜨거운 수준입니다. 메탄올의 끓는점보다도 낮은 온도를 가진 천체가 우주 공간에서 항성이라는 이름으로 존재한다는 사실은 우주의 광활함과 다양성을 다시 한번 깨닫게 만듭니다. 이 별의 반지름은 태양의 0.13배에 불과하며, 지금까지 인류가 관측한 갈색 외성 중 가장 차가운 온도를 기록하고 있습니다. 반면, 질량이 너무나 가벼워서 항성이 될 수 있는 최소한의 조건만을 턱걸이로 통과한 별도 있습니다. 용골자리 방향으로 3,200광년 떨어진 곳에 위치한 쌍성계의 반성인 OGLE TR122B가 그 주인공입니다. 이 별의 반지름은 태양의 0.12배 정도이며, 질량은 태양의 고작 9.2%밖에 되지 않습니다. 우주 물리학적으로 천체가 스스로 핵융합 반응을 일으켜 빛을 내는 항상이 되기 위해서는 태양 질량의 최소 7%에서 8% 이상이 되어야 합니다. OGLE TR122B는 이 커트라인을 간신히 넘겨 우주에서 가장 가벼운 축에 속하는 항성으로 당당히 이름을 올렸습니다. 이보다 더 가벼운 적색 외성으로는 독수리자리 방향으로 18.72광년 떨어진 VB10이라는 별이 있습니다. 일명 벤 비스부룩의 별이라고도 불리는 이 별은 질량이 태양의 0.075배에 불과하여 주계열성 중에서도 가장 가벼운 천체에 해당합니다. 평소 표면 온도는 2,600켈빈으로 어둡고 차가운 편이지만, 강력한 플레어 활동이 일어날 때에는 순간적으로 특정 부분의 온도가 10만 켈빈을 넘어서며 급격하게 밝아지는 변광성의 특징을 보여주기도 합니다. 시간의 흔적을 그대로 간직한 우주의 산증인과 같은 별도 존재합니다. 천칭자리 방향으로 약 190광년 떨어진 HD140283은 나이가 무려 136억 년으로 추정되는 인류 관측 사상 가장 늙은 항성입니다. 우주의 나이가 대략 138억 년에서 139억 년 사이로 추정되는 점을 고려하면, 이 별은 우주가 탄생한 직후 초창기에 만들어진 빅뱅의 살아있는 증인인 셈입니다. 이 별의 나이는 표면 성분에 포함된 금속 함유량이 극도로 적다는 점을 바탕으로 산출되었습니다. 초기 우주에는 수소와 헬륨 외에 무거운 금속 원소가 거의 없었기 때문입니다. 현재 이 거대한 고대 항성은 초속 169킬로미터라는 엄청난 속도로 지구를 향해 이동하고 있습니다. 우주를 연구하는 천문학자들의 열정을 보며 저 역시 밤하늘의 별을 관측하러 가고 싶다는 생각을 자주 하곤 합니다. 우주에는 보석처럼 빛나는 신비로운 가상의 내부 구조를 가진 별도 있습니다. 센타우루스자리에 위치한 백색 외성 BPM 37093은 천문학자들 사이에서 루시라는 애칭으로 더 유명합니다. 비틀즈의 명곡인 루시 인 더 스카이 위드 다이아몬즈에서 이름을 딴 이 별은 반지름이 수성보다도 작지만 질량은 태양의 1.1배에 달하는 엄청난 고밀도 천체입니다. 과학자들이 이 별의 내부 중심부가 거대한 다이아몬드와 유사한 결정화된 탄소 구조로 이루어져 있을 것이라 추정하는 이유는 백색 외성이 식어가는 과정에서 페르미 액체에 둘러싸인 탄소와 산소 원자들이 단단한 결정 격자 구조를 형성하기 때문입니다. 지구보다 작은 크기의 별 전체가 하나의 거대한 다이아몬드 덩어리처럼 우주 공간에 떠 있다는 상상은 깊은 밤 하늘을 바라보는 우리에게 낭만적인 환상을 심어주기에 충분합니다.
상상을 초월하는 우주의 거인들, 거성과 초거성의 세계
우리가 매일 마주하는 태양은 지구 질량의 약 33만 배, 부피는 130만 배에 달하여 태양 속에 지구 130만 개를 집어넣을 수 있을 정도로 거대합니다. 그러나 이 평범한 황색 외성인 태양을 우주의 거대한 거성들과 비교하면 그야말로 먼지 한 톨에 불과할 정도로 작아 보입니다. 우주에서 발견된 가장 거대한 항성 중 하나는 방패자리 방향으로 약 9,500광년 떨어진 곳에 위치한 적색 초극대거성인 방패자리 UI입니다. 이 별의 반지름은 태양의 약 1,708배에 달하며, 그 거리를 킬로미터로 환산하면 약 10억 킬로미터에 이르는 어마어마한 크기입니다. 만약 이 별을 우리 태양계의 중심인 태양의 위치에 갖다 놓는다면, 수성과 금성, 지구, 화성은 물론이고 목성을 넘어 토성 궤도 근처까지 모두 삼켜버릴 것입니다. 이 별의 둘레를 빛의 속도로 한 바퀴 도는 데만 무려 7시간이 걸린다고 합니다. 태양을 한 바퀴 도는 데 빛의 속도로 14.5초가 걸리고, 지구는 단 0.13초가 걸리는 것과 비교하면 그 규모가 도저히 인간의 머리로는 상상하기 힘들 정도입니다. 방패자리 UI의 내부 부피에는 태양 50억 개, 혹은 지구 6,500조 개를 사정없이 집어넣을 수 있습니다. 크기뿐만 아니라 가공할 만한 밝기와 질량으로 우주를 압도하는 청색 초거성도 있습니다. 독거미 성운의 R136 성단에 포함된 R136A1은 발견된 모든 별 중에서 최고 수준의 질량을 자랑하는 극대거성입니다. 이 별의 질량은 태양의 약 265배에서 최대 350배에 달하며, 실제 밝기는 태양의 무려 870만 배에 이릅니다. 만약 이 별이 현재 태양의 위치에 존재한다면, 그 강력한 에너지와 막대한 자외선 방출로 인해 지구상의 모든 생명체는 즉시 증발하여 전멸하고 말 것입니다. 다행히 이 엄청난 천체는 우리 은하가 아닌 위성 은하인 대마젤란 은하에 위치해 있으며, 지구로부터 16만 5,000광년이라는 안전한 거리만큼 멀리 떨어져 있습니다. 질량이 이토록 큰 항성들은 중심부의 연료를 극도로 빠르게 소모하기 때문에 수명이 매우 짧습니다. 태양이 100억 년 이상의 수명을 가진 반면, R136A1은 나이가 고작 170만 년밖에 되지 않은 어린 별임에도 불구하고 이미 청년기를 지나 중년기에 접어들었으며, 머지않은 미래에 상상을 초월하는 초신성 폭발을 일으키며 블랙홀을 남기고 생을 마감할 예정입니다. 우리에게 밤하늘의 길잡이로 매우 익숙한 겨울철 별자리인 오리온자리의 리겔과 베텔게우스 역시 엄청난 크기를 자랑하는 초거성들입니다. 오리온자리의 오른쪽 아래에서 청백색으로 빛나는 리겔은 반지름이 태양의 약 79배에 달하는 청색 초거성입니다. 질량은 태양의 21배이며 실제 밝기는 태양의 12만 배나 되어 오리온자리에서 가장 밝은 빛을 뿜어냅니다. 반면 오리온자리의 왼쪽 위에서 붉게 빛나는 베텔게우스는 반지름이 태양의 평균 800배에서 1,000배가 넘는 적색 초거성입니다. 베텔게우스는 수명이 거의 다한 별로, 내부의 불안정성 때문에 스스로 부풀어 올랐다 수축하기를 반복하는 반규칙 변광성입니다. 천문학자들은 베텔게우스가 앞으로 수백만 년 이내, 혹은 당장 내일이라도 초신성 폭발을 일으켜 마지막 생을 맞이할 수 있다고 경고합니다. 만약 이 별이 폭발한다면 지구에서도 몇 달 동안 밤하늘에 보름달만큼 밝은 빛이 관측될 것이라고 하니, 제 생애에 그런 경이로운 우주적 현상을 직접 목격할 수 있다면 얼마나 좋을까 하는 설레는 상상을 해봅니다. 백조자리의 꼬리 부분에서 고독하게 빛나는 청색 초거성 데네브 역시 반지름이 태양의 200배가 넘는 거대한 별입니다. 지구로부터 약 2,616광년 이상 떨어진 먼 거리에 있음에도 불구하고 우리 눈에 1등급의 밝은 별로 보이는 이유는 대네브의 고유 광도가 태양의 최대 20만 배에 달하기 때문입니다. 이 외에도 피스톨 모양의 성운 중심에서 태양이 100년 동안 생산할 에너지를 단 30분 만에 방출해 버리는 궁수자리의 피스톨 별, 반지름이 태양의 1,420배에 달하는 큰개자리 VY 등 우주에는 인간의 오만을 겸손하게 만드는 거대한 거인들이 도처에 숨어 숨 쉬고 있습니다.
단 한 숟가락에 1조 원의 무게, 중성자별과 마그네타의 신비
우주에서 가장 거대한 초거성들이 수명을 다해 초신성 폭발을 일으킬 때, 별의 중심부는 엄청난 중력을 이기지 못하고 안으로 붕괴하게 됩니다. 이 과정에서 전자와 양성자가 극한으로 압축되어 중성자로 변하며, 마침내 우주에서 가장 기이하고 밀도가 높은 천체인 중성자별이 탄생합니다. 중성자별은 크기가 고작 서울시 송파구만 한 직경 20에서 25킬로미터 내외의 아주 작은 천체입니다. 하지만 그 작은 부피 속에 태양의 2배가 넘는 엄청난 질량이 압축되어 있습니다. 이로 인해 발생하는 중성자별의 밀도는 우리의 상상을 초월합니다. 중성자별의 물질을 티스푼으로 단 한 숟가락만 떠서 지구로 가져온다면, 그 무게는 무려 1조 톤이 넘습니다. 이는 지구상의 모든 건물과 산을 각설탕 하나만 한 크기로 압축해 놓은 것과 같은 밀도입니다. 만약 중성자별의 표면 1미터 높이에서 어떤 물체를 떨어뜨린다면, 상상을 초월하는 중력 때문에 물체는 시속 720만 킬로미터라는 가공할 속도로 단 100만분의 1초 만에 표면에 충돌하게 됩니다. 이러한 중성자별 중에서도 유독 강력한 회전과 자기장을 가진 천체들을 펄사라고 부릅니다. 펄사는 마치 우주의 등대처럼 일정한 주기로 매우 정밀한 전파나 방사선 광선을 뿜어내며 자전하는 중성자별입니다. 1967년 천문학계에서 규칙적으로 맥동하는 전파 신호가 처음 관측되었을 때, 과학자들은 외계 문명이 보내는 신호가 아닐까 착각하여 LGM(Little Green Men)이라는 이름을 붙이기도 했습니다. 그러나 연구 결과 이는 고속으로 자전하는 중성자별이 뿜어내는 전자기파임이 밝혀졌습니다. 중성자별의 내부 구조를 깊이 들여다보면, 외곽층은 철, 수소, 헬륨 등으로 이루어져 있으나 중심부로 들어갈수록 엄청난 압력으로 인해 원자핵의 결합이 완벽히 깨지고 오직 중성자 흐름만이 존재하는 초고밀도의 심이 나타납니다. 이 영역은 현대 핵물리학으로도 완벽히 규명되지 않아, 과학자들은 초유체 상태의 중성자나 쿼크 물질 등 이색적인 상태로 존재할 것이라 추정하고 있습니다. 중성자별의 진화 형태 중 가장 극단적이고 위험한 존재는 바로 마그네타입니다. 마그네타는 중성자별의 일종이지만, 상상을 초월하는 강력한 자기장을 품고 있는 천체입니다. 마그네타의 자기장 세기는 약 10기가테슬라에 달하는데, 이는 우리 지구 자기장의 천만 배 이상, 일반적인 중성자별보다도 수천 배나 더 강력한 수치입니다. 인류에게 관측된 가장 대표적인 마그네타는 궁수자리 은하수 바깥쪽에 위치한 SGR 1806-20입니다. 이 천체는 직경이 20킬로미터도 안 되지만 자기장의 세기는 무려 1천조 가우스에 육박하여 우주에서 가장 강력한 자석으로 불립니다. 만약 이 마그네타가 지구와 달 거리의 절반 정도로 가까이 다가온다면, 강력한 자기장 선이 지구상의 모든 신용카드의 마그네틱 정보를 순식간에 지워버리는 것은 물론이고, 인간 신체 내의 원자 구조까지 변형시켜 생명체를 파괴할 수 있을 정도의 파괴력을 가집니다. 중성자별들이 서로 쌍성계를 이루어 공전하다가 오랜 세월 동안 중력파를 방출하며 에너지를 잃으면, 두 천체는 점점 가까워지다가 결국 하나로 합병하게 됩니다. 이때 발생하는 대폭발을 킬로노바라고 부르며, 이 가공할 충돌의 순간에 우주에 존재하는 금이나 백금 같은 무거운 귀금속 원소들이 대량으로 생성되어 우주 공간으로 퍼져나갑니다. 만약 중심핵의 질량이 찬드라세카르 한계인 태양 질량의 1.4배를 넘어 최종적으로 태양 질량의 2~3배 이상에 도달하게 되면, 중성자 간의 반발력마저 무너지며 천체는 무한히 수축하여 빛마저 빠져나올 수 없는 블랙홀로 변하게 됩니다. 이러한 천문학적 메커니즘을 공부할 때마다 우주가 거대한 화학 실험실이자 연금술사 같다는 경외감을 느끼게 됩니다.
밤하늘의 길잡이와 은하계의 쌍둥이 태양들
예로부터 인류는 밤하늘의 별을 보며 길을 찾고 운명을 점쳤습니다. 동양과 서양을 막론하고 가장 사랑받은 별자리는 단연 북두칠성입니다. 북두칠성은 큰곰자리의 꼬리와 엉덩이 부분에 위치한 국자 모양의 일곱 개 별을 뜻합니다. 서양에서는 큰 국자, 혹은 쟁기나 마차로 부르기도 했습니다. 재미있는 점은 북두칠성을 이루는 일곱 개의 별(알카이드, 미자르, 알리오츠, 메그레즈, 페크다, 메라크, 두배)이 실제로는 우주 공간에서 한곳에 모여 있는 것이 아니라, 각각 지구로부터 수십에서 수백 광년씩 떨어져 있는 독립된 별들이라는 사실입니다. 국자의 양 끝 별인 두배와 알카이드를 제외한 다섯 개의 별은 큰곰자리 운동성단에 속해 있어 초속 29킬로미터의 속도로 같은 방향으로 움직이고 있습니다. 반면 두 별은 다른 방향으로 움직이기 때문에, 지금으로부터 약 5만 년 후의 미래에는 우리가 아는 국자 모양이 완전히 일그러져 다른 형태를 띠게 될 것입니다. 북두칠성은 북극성을 찾는 중요한 지표가 되기도 합니다. 국자의 끝부분에 있는 메라크와 두배를 잇는 선분을 다섯 배 연장하면 천구의 북극에 위치한 북극성을 정확히 찾을 수 있습니다. 오늘날의 북극성은 작은곰자리의 알파별인 폴라리스입니다. 하지만 지구는 자전축이 약 25,770년을 주기로 팽이처럼 도는 세차운동을 하기 때문에, 북극성의 자리 역시 시간에 따라 계속 변합니다. 기원전 12,000년경에는 거문고자리의 직녀성(베가)이 북극성이었고, 기원전 3,000년경에는 용자리의 투반이 그 자리였습니다. 앞으로 서기 14,000년쯤이 되면 다시 베가가 북극성의 왕좌를 차지하게 됩니다. 이와 대칭적으로 여름철 남쪽 하늘에는 북두칠성을 닮은 작은 국자 모양의 여섯 별인 남두육성이 뜹니다. 궁수자리의 일부분인 남두육성은 동양 점성술에서 북두칠성이 죽음과 흉사를 관장하는 것과 반대로 인간의 탄생과 장수, 행복을 관장하는 길한 별자리로 여겨져 조상들이 정화수를 떠놓고 빌던 따뜻한 정서가 담긴 별이기도 합니다. 우주 과학자들은 밤하늘의 아름다움을 감상하는 것에 그치지 않고, 인류가 이주하거나 외계 생명체가 살아가기 적합한 환경을 가진 외계 행성을 찾기 위해 부단히 노력하고 있습니다. 이를 위해 가장 먼저 탐색하는 대상이 바로 우리 태양과 물리적 성질이 매우 유사한 유사 태양과 쌍둥이 태양들입니다. 태양과 표면 온도 차이가 500켈빈 이하이고 중원소 함량이 비슷한 별들을 유사 태양이라 부르며, 그중에서도 단독성이면서 나이와 온도(5,720K~5,830K)까지 태양과 거의 완벽하게 일치하는 별들을 쌍둥이 태양이라고 정밀 분류합니다. 대표적인 유사 태양인 페가수스자리 51번 별(헬베티오스)은 1995년 인류 관측 사상 최초로 유사 태양 주위를 도는 외계 행성(디미디움)이 발견되어 천문학계에 거대한 이정표를 세운 별입니다. 이 행성은 모항성과 너무 가까워 표면 온도가 1,200도에 달하는 뜨거운 목성형 행성이었지만, 외계 행성 탐사의 서막을 열었다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 또 다른 흥미로운 후보는 사냥개자리 방향으로 28광년 떨어진 황색 외성 사냥개자리 베타(카라)입니다. 카라는 질량, 밝기, 나이가 우리 태양과 매우 흡사하여 우주 생물학자들이 외계 고등 문명이 존재할 가능성이 가장 높은 최고의 후보지 중 하나로 지목하고 집중적으로 연구하는 별입니다. 비록 아직까지 행성이 명확히 발견되지는 않았지만, 태양계와 너무나 닮은 물리적 특징 덕분에 밤하늘에서 이 별을 바라볼 때면 어쩌면 저 멀리서도 우리를 향해 망원경을 조준하고 있는 또 다른 지적 생명체가 있지 않을까 하는 짜릿한 전율이 돋곤 합니다. 이처럼 광활한 우주 속에 떠 있는 수많은 항성들의 이야기를 접하다 보면, 지구라는 작은 행성에 살고 있는 우리 인류가 얼마나 기적적인 존재인지, 그리고 앞으로 개척해 나가야 할 우주 영토가 얼마나 무궁무진한지 깊은 감동과 탐구열을 느끼게 됩니다.
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