우주 공간에 존재하는 다양한 별들의 크기를 비교하고, 태양보다 수백 배에서 수천 배까지 거대한 적색 거성과 초거성들의 특징을 상세히 알아봅니다. 아크투루스, 알데바란, 폴룩스, 리겔, 베텔게우스, 큰개자리 VY 등 거대 항성들의 물리적 규모와 진화 과정을 통해 우주의 압도적인 스케일을 전해드립니다.
밤하늘의 작은 점이 품은 거대한 비밀, 거성과 초거성의 탄생
우리가 맑은 날 밤하늘을 올려다볼 때 마주하는 수많은 별들은 그저 고요하고 작은 점처럼 보입니다. 하지만 실제 우주 공간 공간 속에서 이 별들이 가진 실체는 우리의 상상을 완전히 초월합니다. 별들은 저마다 태어난 환경과 질량에 따라 크기가 서로 다릅니다. 어떤 별은 우리가 살고 있는 지구의 어머니와 같은 존재인 태양보다 조금 더 큰 수준에 불과하지만, 어떤 별들은 태양의 반지름보다 수백 배에서 수천 배 이상 커지기도 합니다. 천문학에서는 이처럼 일반적인 별의 크기를 아득히 뛰어넘는 거대한 별들을 거성 또는 초거성이라고 부릅니다. 우리의 기준이 되는 태양의 지름은 약 139만 킬로미터에 달합니다. 이 크기가 어느 정도인지 실감하기 위해서 지구와 비교를 해보겠습니다. 지구 약 109개를 가로로 촘촘하게 나란히 놓아야 겨우 태양의 지름 하나와 비슷해지는 수준입니다. 부피를 기준으로 삼는다면 태양이라는 거대한 구체 내부에는 우리가 사는 지구와 같은 행성이 약 130만 개나 들어갈 수 있습니다. 인간의 일상적인 감각과 경험으로는 도저히 상상하기 어려울 정도로 거대한 크기임이 분명합니다. 그러나 이처럼 거대해 보이는 태양조차도 광활한 우주적 스케일 앞에서는 한낱 작은 콩알이나 모래알처럼 보일 정도로 훨씬 더 거대한 별들이 실제로 존재하고 있습니다. 별은 처음부터 이렇게 거대한 상태로 태어나는 것이 아닙니다. 우주 공간에는 눈에 보이지 않는 수소와 헬륨 기체가 희미하고 넓게 퍼져 있습니다. 이러한 가스 구름들이 오랜 시간 동안 자체적인 중력 때문에 서로를 끌어당기며 천천히 뭉치기 시작합니다. 가스들이 중심부로 모여들수록 중심부의 압력과 온도는 상상을 초월할 정도로 점점 높아지게 됩니다. 그리하여 중심부의 온도가 약 천만 도 이상에 도달하는 극단적인 상황이 되면, 마침내 수소 원자핵들이 서로 강력하게 부딪히며 융합하는 핵융합 반응이 시작됩니다. 바로 이 위대한 순간이 우주에서 하나의 별이 탄생하는 순간입니다. 현재 열심히 빛을 내고 있는 태양의 중심부 온도는 약 1500만 도로 추정됩니다. 이 뜨거운 내부에서는 매초 약 6억 톤이라는 엄청난 양의 수소가 헬륨으로 변하고 있으며, 그 핵융합 과정에서 막대한 양의 에너지가 사방으로 뿜어져 나옵니다. 우리가 지구에서 사용하는 거의 모든 에너지와 생명 활동의 근원 역시 결국 이 태양의 중심부에서 시작된 것입니다. 별의 운명과 수명, 그리고 최종 크기는 태어날 때 가지고 있던 질량에 의해 모든 것이 결정됩니다. 질량이 비교적 작은 별들은 중심부의 압력이 낮기 때문에 연료인 수소를 아주 천천히 아껴가며 사용합니다. 그렇기 때문에 수명이 수백억 년 이상으로 매우 길게 유지됩니다. 반면 태어날 때부터 질량이 매우 컸던 별들은 중심부를 누르는 중력과 압력이 너무나도 강력하기 때문에, 핵융합 반응의 속도가 극단적으로 빨라집니다. 태양의 전체 수명이 약 100억 년 정도로 계산되는 반면에, 태양보다 질량이 약 20배 이상 무거운 거대한 별들은 그만큼 연료를 광폭하게 소모하므로 불과 수천만 년 만에 생애 마지막 단계에 도달하기도 합니다. 별이 나이를 먹고 늙기 시작하면 내부의 구조적인 균형도 급격하게 흔들립니다. 중심부에서 격렬하게 타오르던 수소 연료가 점차 고갈되면 중심부를 바깥으로 밀어내던 핵융합의 힘과 안으로 끌어당기던 중력의 균형이 무너집니다. 이 과정에서 별의 중심부는 수축하지만, 반대로 바깥층을 구성하던 기체들은 내부에서 전달되는 열에너지에 의해 사방으로 급격하게 팽창하기 시작합니다. 그 결과 별의 반지름은 원래 크기보다 수십 배에서 수백 배, 혹은 수천 배까지 무시무시하게 커집니다. 다만 부피가 커진 만큼 표면의 면적이 넓어져 열이 분산되므로 표면 온도는 오히려 이전보다 낮아지게 됩니다. 온도가 낮아진 별의 표면은 노란색이나 흰색 대신 붉은색 또는 주황색으로 보이게 되는데, 이 단계의 별을 우리는 적색 거성이라고 부릅니다. 질량이 더욱 압도적인 별들은 적색 거성을 넘어 적색 초거성 단계까지 무한히 성장하게 되며, 베텔게우스나 안타레스 같은 별들이 대표적인 예입니다. 반대로 질량이 매우 크면서도 표면 온도가 만 도 이상으로 극단적으로 높아 강렬한 푸른 빛을 발산하는 청색 초거성도 우주에 존재하고 있습니다. 이처럼 별은 단순히 하늘에서 빛나는 예쁜 공이 아닙니다. 거대한 별의 내부 공간은 우주에서 가장 강력하고 거대한 원소 제조업체와 같습니다. 별의 내부에서는 수소가 헬륨이 되고, 헬륨이 탄소, 산소, 규소, 그리고 철에 이르기까지 세상의 수많은 원소들을 끊임없이 창조해 냅니다. 실제로 우리 인간의 몸속을 구성하고 있는 철분과 뼈를 이루는 칼슘, 그리고 우리가 매 순간 숨 쉬고 있는 산소 역시 아주 먼 옛날 어떤 거대한 별의 내부에서 일어난 핵융합 과정과 폭발을 통해 만들어져 우주로 퍼져나간 물질들입니다. 칼 세이건의 말처럼 우리는 모두 별에서 온 물질로 만들어진 별의 자녀들인 셈입니다. 이번 글에서는 지구를 출발하여 밤하늘에서 만날 수 있는 거대한 별들을 차례대로 지나가며, 인간이 살고 있는 우주의 상상할 수 없는 규모를 하나씩 확인해 보고자 합니다.
봄날의 주황빛 등대 아크투루스와 황소자리의 붉은 눈 알데바란
지구를 떠나 우주 공간으로 나아가며 처음으로 마주하게 되는 거대한 이정표는 바로 봄철 밤하늘에서 따뜻한 주황색으로 빛나는 아크투루스입니다. 지구로부터 약 36.7광년이라는, 우주적인 관점에서는 비교적 매우 가까운 거리에 위치한 이 별은 목동자리에서 가장 밝은 알파성입니다. 북반구 밤하늘에서 관측되는 모든 별들을 통틀어 손에 꼽힐 정도로 유난히 밝은 광도를 자랑하는 대표적인 적색 거성입니다. 현재 과학자들이 추정하는 아크투루스의 반지름은 우리 태양 반지름의 약 25.4배에 달합니다. 이를 실제 지름으로 환산해 보면 무려 약 3,530만 킬로미터라는 엄청난 수치가 나옵니다. 만약 우리가 현재 태양이 있는 자리에 태양을 빼고 아크투루스를 가져다 놓는다면, 이 별의 거대한 표면은 태양계의 첫 번째 행성인 수성의 공전 궤도를 한참 지나쳐 뻗어 나가게 됩니다. 거리가 실감 나지 않는다면 빛의 속도로 비교해 볼 수 있습니다. 태양 표면에서 출발한 빛이 지구까지 도달하는 데는 약 8분 19초라는 시간이 걸립니다. 그런데 이 아크투루스라는 별은 지름 자체가 너무나도 거대해서, 빛이 별의 한쪽 끝 표면에서 출발해 중심을 지나 반대쪽 끝 표면까지 도달하는 데만 해도 무려 약 1분 58초라는 엄청난 시간이 필요합니다. 흥미로운 사실은 아크투루스가 가진 실제 물질의 양, 즉 질량은 우리 태양의 약 1.08배 수준에 불과하다는 점입니다. 태양과 무게는 거의 비슷한데 크기는 수십 배나 더 거대하다는 뜻입니다. 그 이유는 이 별이 이미 나이를 많이 먹어 생애 후반기에 접어들었기 때문에 바깥 기체 층이 거대하게 부풀어 올랐기 때문입니다. 거대한 풍선이 부풀어 오르면 내부가 텅 비고 밀도가 낮아지는 것처럼, 아크투루스 역시 부피는 엄청나게 거대하지만 평균적인 밀도는 매우 희박한 상태입니다. 이 별의 표면 온도는 약 4,286도로 측정됩니다. 태양의 표면 온도인 약 5,800도와 비교하면 확연히 낮은 수준입니다. 이 때문에 아크투루스는 태양처럼 강렬한 백색이나 황색 빛을 내지 못하고, 온도가 낮은 별 특유의 주황빛과 붉은 빛이 부드럽게 섞인 색을 띠게 됩니다. 우리가 시골 밤하늘이나 조용한 곳에서 아크투루스를 가만히 바라볼 때, 마치 하늘에 걸린 차가우면서도 따스한 주황색 조명처럼 느껴지는 물리적인 이유가 바로 여기에 있습니다. 그러나 표면 온도가 낮음에도 불구하고 아크투루스가 뿜어내는 전체 밝기는 태양의 약 170배에 달합니다. 표면의 단위 면적당 내뿜는 에너지는 적을지 몰라도, 별의 크기 자체가 태양보다 압도적으로 거대하기 때문에 사방으로 방출하는 전체 에너지의 총량은 비교할 수 없이 많은 것입니다. 게다가 아크투루스는 우주 공간을 이동하는 속도가 다른 별들에 비해 대단히 빠른 역동적인 별입니다. 밤하늘에 보이는 대부분의 밝은 별들은 인간의 짧은 수명 기준은 물론이고 수천 년의 역사 동안 위치 변화를 거의 느낄 수 없을 만큼 고정되어 있는 것처럼 보입니다. 하지만 아크투루스는 천구 상에서 1년에 약 2.29각초씩 눈에 띄게 이동합니다. 천문학에서는 이처럼 별이 배경 하늘에 대해 실제로 움직이는 성분을 고유 운동이라고 부릅니다. 아크투루스가 우주 공간을 실제로 날아가고 있는 속도는 무려 초속 약 122킬로미터로 계산됩니다. 우리가 서울에서 부산까지의 직선거리를 대략 325킬로미터라고 가정했을 때, 이 별의 속도라면 단 2.7초 만에 서울에서 부산까지 주파할 수 있는 상상 초월의 속도입니다. 이 아크투루스라는 별은 인간의 역사 속에서도 아주 낭만적인 에피소드를 남긴 적이 있습니다. 지금으로부터 오랜 전인 1933년, 미국 시카고에서는 전 세계의 이목이 집중된 시카고 세계 박람회가 열렸습니다. 당시 개막식에서 과학자들은 매우 독특하고 전무후무한 이벤트를 기획했습니다. 바로 천문대에 설치된 망원경과 광전관을 이용해 저 멀리 우주에 있는 아크투루스의 별빛을 모은 뒤, 그 빛에너지를 전기 신호로 변환하여 박람회장의 거대한 전등들을 일제히 점등시키는 행사였습니다. 왜 하필 수많은 별들 중에 아크투루스였을까요? 그 전 세기에 열렸던 시카고 박람회가 1893년이었는데, 1933년은 그로부터 정확히 40년이 지난 해였습니다. 그리고 당시에 천문학자들이 계산했던 아크투루스까지의 거리가 마침 딱 40광년이었습니다. 즉, 과학자들과 대중들은 1893년 전회 박람회 당시에 아크투루스 별에서 출발했던 그 빛이 40년 동안 차갑고 어두운 우주 공간을 쉼 없이 날아와, 정확히 40년 뒤인 1933년 시카고 박람회장의 불을 밝힌다는 로맨틱한 의미를 부여했던 것입니다. 비록 현대에 이르러 정밀한 관측 장비로 다시 측정한 결과 실제 거리는 40광년이 아니라 약 36.7광년으로 수정되었지만, 40년 전 조상들이 살던 시대에 별을 떠난 빛이 대를 이어 날아와 현대 도시의 전등을 켠다는 발상 자체는 당시 수많은 사람들에게 커다란 감동과 우주적 신비감을 심어주기에 충분했습니다. 아크투루스는 앞으로도 남은 연료를 소모하며 팽창과 수축을 불안정하게 반복하다가, 결국 바깥층의 기체 물질들을 행성상 성운의 형태로 우주 공간에 아름답게 흩뿌릴 것입니다. 그리고 그 중심부에는 지구 크기만 하지만 물질이 고도로 압축되어 극도로 뜨거운 백색 왜성만이 외롭게 남겨질 것으로 예상됩니다. 아크투루스를 지나 조금 더 먼 우주로 이동하면, 이번에는 겨울철 밤하늘에서 황소자리의 분노한 붉은 눈처럼 매섭게 빛나는 알데바란을 만나게 됩니다. 지구에서 약 65광년 떨어진 곳에 위치한 알데바란은 밤하늘에서 겉보기 등급 약 0.86등급을 기록할 정도로 대단히 밝은 별입니다. 대도시의 화려한 네온사인 불빛 속에서도 고개를 들어 쳐다보면 특유의 주황빛을 띤 붉은 색이 육안으로 선명하게 구분될 만큼 강렬한 존재감을 드러냅니다. 알데바란이라는 이름은 고대 아랍어인 '알 다바란'에서 유래한 단어로, 그 의미를 번역하면 '뒤따르는 자'라는 뜻을 가지고 있습니다. 고대인들이 밤하늘을 가만히 관찰해 보니, 이 알데바란이라는 별이 언제나 아름다운 별들의 무리인 플레이아데스 성단의 뒤를 졸졸 따라다니며 동쪽 하늘에서 떠올라 서쪽으로 움직이는 것처럼 보였기 때문에 이러한 흥미로운 이름이 붙게 되었습니다. 알데바란 역시 아크투루스와 마찬가지로 나이를 먹은 적색 거성 단계에 속합니다. 현재 이 별의 반지름은 우리 태양 반지름의 약 44배 수준에 이르는 것으로 추정됩니다. 지름으로 따지면 대략 6,120만 킬로미터에 달하는 크기입니다. 만약 알데바란을 태양계 중심에 놓는다면 수성은 진작에 별 내부 깊숙한 곳에 파묻혀 흔적도 없이 사라지게 됩니다. 빛이 알데바란의 거대한 지름을 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 관통하여 통과하는 데만 해도 무려 3분 24초의 시간이 소요됩니다. 하지만 이 별의 질량은 태양의 약 1.16배 수준으로, 덩치에 비하면 너무나도 가볍습니다. 아크투루스와 마찬가지로 별의 생애 마지막 순간이 다가오면서 겉모습만 엄청나게 부풀려진 상태이기 때문입니다. 마치 거대한 솜사탕처럼 부피는 산만하게 크지만, 그 속을 채우고 있는 물질의 밀도는 우리가 호흡하는 지구 대기보다도 훨씬 더 희박하고 옅은 가스 상태에 불과합니다. 알데바란의 표면 온도는 약 3,900도로 계산되는데, 이는 태양보다 거의 2,000도 가깝게 낮은 온도입니다. 그렇기 때문에 별의 색상이 아주 짙은 주황색 내지는 붉은 빛으로 보이게 됩니다. 물리적으로 모든 물체나 별은 온도가 높을수록 푸른빛을 내고, 온도가 낮을수록 붉은빛을 띱니다. 우리가 대장간에서 철을 불에 달굴 때 처음에는 붉은색으로 빛나다가 온도가 극도로 높아지면 노랗고 하얗게 변하는 것과 완전히 동일한 우주적 원리입니다. 알데바란의 전체 밝기는 태양의 약 449배에 달하여, 차가운 표면 온도와는 무관하게 광활한 면적에서 뿜어져 나오는 에너지의 힘이 얼마나 대단한지 알 수 있습니다. 이 별에 얽힌 천문학적인 반전 중 하나는, 알데바란이 밤하늘에서 보기에는 황소자리의 머리 부분에 뭉쳐 있는 '히아데스 성단'의 한가운데 떡하니 위치해 있어서 당연히 그 성단의 일원일 것이라고 착각하기 쉽다는 점입니다. 하지만 실제 입체적인 우주 공간에서 거리를 측정해 보면 완전히 다릅니다. 히아데스 성단을 구성하는 진짜 별들은 지구에서 약 150광년이라는 아주 먼 곳에 옹기종기 모여 있는 반면, 알데바란은 불과 65광년 거리에 홀로 떨어져 있습니다. 즉, 실제로는 성단과 아무런 상관이 없으며 단지 지구에서 바라보는 시선 방향이 우연히 일치하여 같은 위치에 겹쳐 보일 뿐인 셈입니다. 2차원의 밤하늘이 가진 착시 현상이 삼차원의 광활한 우주 공간에서는 얼마나 큰 거리의 왜곡을 만들어내는지 보여주는 아주 좋은 사례입니다. 알데바란은 아주 오래전 고대 문명 사회에서도 동서양을 막론하고 매우 중요하게 취급되던 별이었습니다. 고대 메소포타미아와 페르시아 문명에서는 1년 중 계절의 변화와 절기를 알려주는 사방의 기준 별 중 하나로 숭배받았으며, 거친 바다를 항해하던 네비게이터들은 캄캄한 밤바다에서 방향을 찾기 위한 나침반 대용으로 알데바란을 자주 이용했습니다. 특유의 불타오르는 듯한 붉은 빛깔 때문에 고대인들은 이 별을 전쟁이나 불, 혹은 국가의 커다란 위험과 연결 지어 신비주의적으로 해석하기도 했습니다. 현대 천문학에 이르러서는 지난 2015년에 알데바란 주변을 공전하고 있을 것으로 추정되는 외계 행성의 강력한 후보가 발견되어 학계의 주목을 받기도 했습니다. '알데바란 b'라고 명명된 이 행성 후보는 우리 태양계의 목성보다 몇 배나 더 거대한 가스 거대 행성으로 추정됩니다. 중심 별인 알데바란으로부터 지구와 태양 사이 거리의 약 1.46배 떨어진 궤도에서 약 629일을 주기로 공전하고 있는 것으로 분석되었습니다. 비록 중심 별이 늙어서 거성으로 부풀어 오르는 험난한 과정 속에서도 그 주변을 돌던 행성계가 파괴되지 않고 끈질기게 살아남을 수 있다는 가능성을 보여주는 흥미로운 연구 대상으로서 오늘날에도 전 세계 과학자들에 의해 끊임없이 관측되고 있습니다.
쌍둥이자리의 영웅 폴룩스와 오리온자리의 푸른 거인 리겔
우주선을 타고 발걸음을 조금 더 옮겨 겨울철 밤하늘의 길잡이인 쌍둥이자리로 향해 봅니다. 쌍둥이자리에는 마치 다정한 형제처럼 두 개의 밝은 별이 밤하늘에 나란히 어깨를 맞대고 빛나고 있습니다. 서쪽에 있는 별이 형인 '카스토르'이고, 동쪽에 있는 별이 동생인 '폴룩스'입니다. 육안으로 그냥 대충 보기에는 두 별의 밝기와 느낌이 서로 비슷해 보이지만, 천문학적인 관측 장비로 그 실체를 들여다보면 완전히 다른 성질을 가진 반전의 별들입니다. 카스토르는 무려 6개의 별이 서로의 중력에 묶여 복잡하게 돌고 있는 다중성계인 반면, 우리가 주목할 폴룩스는 이미 단독으로 거성 단계에 진화하여 거대하게 부풀어 오른 주황색 별입니다. 폴룩스는 지구로부터 약 33.7광년이라는 아주 가까운 이웃 우주에 위치해 있습니다. 겉보기 등급은 약 1.14등급으로 매우 밝아서 대도시 밤하늘에서도 쌍둥이의 머리 자리에서 선명하게 빛나는 모습을 쉽게 찾을 수 있습니다. 적색 거성 혹은 주황색 거성으로 분류되는 폴룩스의 현재 추정 반지름은 우리 태양 반지름의 약 8.8배 수준입니다. 실제 지름으로 계산하면 대략 1,220만 킬로미터 정도가 됩니다. 앞서 만난 아크투루스나 알데바란에 비하면 조금 작게 느껴질 수도 있겠지만, 이 역시 태양 자리에 가져다 놓는다면 태양계의 첫 번째 행성인 수성의 공전 궤도 안쪽 상당 부분을 거대한 별의 몸체로 가득 채워버릴 만큼 무시무시한 크기입니다. 폴룩스의 질량은 태양의 약 1.91배로, 태양보다 거의 두 배 가까이 무거운 별이었습니다. 우주에서는 별의 질량이 무거우면 무거울수록 중심부를 누르는 중력이 강해지기 때문에, 역설적으로 중심부의 압력과 온도가 높아져 연료를 소모하는 핵융합 속도가 상상을 초월할 정도로 빨라지게 됩니다. 덩치가 크고 무거운 별일수록 연료를 너무나도 광폭하게 낭비하기 때문에, 오히려 태양처럼 작은 별들보다 수명이 훨씬 짧아지고 빠르게 늙어버리는 것이 우주의 법칙입니다. 폴룩스 역시 태양보다 훨씬 늦게 태어났음에도 불구하고 질량이 무거웠던 탓에 벌써 연료를 다 쓰고 늙어서 주황색 거성으로 변해버린 것입니다. 이 별의 표면 온도는 약 4,700도로 태양보다 약 1,100도 정도 낮아 전체적으로 은은하고 따스한 주황빛을 발산합니다. 폴룩스가 현대 천문학에서 특히나 유명해진 계기는 거성 단계의 별들 중에서도 아주 명확하게 외계 행성의 존재가 확인된 대표적인 항성이기 때문입니다. 지난 2006년, 천문학자들은 정밀한 시선속도 측정법을 통해 폴룩스 주변을 공전하는 거대한 행성을 공식적으로 발견하는 데 성공했습니다. 이 외계 행성의 공식 명칭은 '폴룩스 b'이며, '테스티아(Thestias)'라는 아름다운 이름으로도 불립니다. 이 행성의 질량은 우리 태양계에서 가장 거대한 목성보다도 무려 2.9배나 더 무거운 초거대 가스 행성으로 추정되며, 폴룩스 주위를 약 590일 주기로 묵묵히 공전하고 있습니다. 일반적으로 별이 나이가 들어 거성 단계로 급격하게 팽창하기 시작하면, 그 별이 내뿜는 강력한 방사능과 항성풍, 그리고 거대해진 크기 때문에 주변에 가깝게 있던 행성들은 불타 없어지거나 궤도가 완전히 뒤틀려 우주 밖으로 튕겨 나가기 십상입니다. 그럼에도 불구하고 폴룩스 b는 모성이 거성으로 변해버린 험난한 격동의 세월 속에서도 파괴되지 않고 아주 안정적인 원형 궤도를 그리며 공전하고 있다는 사실이 확인되어, 우주에서 행성계의 생존력과 진화 과정을 연구하는 학자들에게 돈으로 가치를 매길 수 없는 귀중한 보물 같은 데이터가 되어주고 있습니다. 고대 그리스 신화 속에서 폴룩스는 불사의 신성한 힘을 가졌으면서도 인간인 형 카스토르가 죽자 자신의 불사성을 나누어 주며 밤하늘의 별자리가 된 비장하고 아름다운 형제애의 주인공이었습니다. 수천 년 전 고대인들에게는 눈물겨운 신화 속 영웅이었던 주황색 점 하나가, 현대인들에게는 우주의 행성 진화 비밀을 간직한 거대한 외계 태양계로 읽히고 있으니 참으로 경이로운 일입니다. 이제 우리는 쌍둥이자리를 지나, 겨울철 밤하늘의 지배자이자 가장 화려한 별자리인 오리온자리로 깊숙이 들어갑니다. 오리온자리의 오른쪽 아래 모퉁이를 바라보면, 눈이 시릴 정도로 강렬하고 차가운 푸른 빛을 뿜어내며 압도적인 광채를 자랑하는 별 하나를 마주하게 됩니다. 그 별이 바로 오리온자리의 베타성인 '리겔'입니다. 리겔은 지구로부터 무려 약 860광년이라는 엄청나게 먼 심우주에 위치해 있습니다. 그럼에도 불구하고 겉보기 등급이 0.13등급에 달할 정도로 밤하늘에서 유난히 밝게 빛나는데, 이는 이 별이 가진 본래의 물리적 에너지가 얼마나 상상을 초월할 정도로 무시무시한지를 단적으로 증명해 줍니다. 리겔은 앞서 우리가 살펴본 아크투루스나 알데바란 같은 붉고 차가운 거성들과는 유전자가 완전히 다른 '청색 초거성'입니다. 별의 생애 최종 단계에 다다랐다는 점은 비슷하지만, 리겔은 태어날 때부터 질량이 너무나도 거대했기 때문에 표면 온도가 식기는커녕 여전히 극단적으로 뜨겁게 타오르고 있는 괴물 같은 별입니다. 리겔의 표면 온도는 무려 약 12,100도에 달합니다. 우리 태양의 표면 온도가 5,800도 정도이니, 태양보다 무려 두 배 이상 뜨겁게 펄펄 끓고 있는 셈입니다. 온도가 너무나도 높기 때문에 인간의 눈에는 붉은색이 아니라 아주 서슬 퍼런 푸른빛이 감도는 흰색으로 보이게 됩니다. 현재 측정된 리겔의 추정 반지름은 우리 태양 반지름의 약 79배에 달합니다. 실제 지름으로 환산하면 대략 1억 1,000만 킬로미터라는 어마어마한 크기입니다. 만약 리겔을 태양 자리에 가져다 놓는다면, 수성은 물론이고 두 번째 행성인 금성의 공전 궤도 턱밑까지 거대한 푸른 불덩어리가 가득 차게 됩니다. 리겔의 진짜 무서움은 단순히 크기만 한 것이 아니라 그 밝기에 있습니다. 리겔이 우주 공간으로 내뿜는 실제 밝기는 우리 태양이 방출하는 밝기의 최소 12만 배에서 최대 20만 배 수준으로 추정됩니다. 쉽게 말해, 우리 태양이 1년 동안 온 힘을 다해 방출하는 전체 에너지의 총량을 리겔이라는 청색 초거성은 단 몇 분 만에 순식간에 사방으로 뿜어내고 있다는 뜻입니다. 이 별의 무게, 즉 질량 역시 태양의 약 21배에 달합니다. 이처럼 무시무시한 질량을 가진 탓에 리겔 내부의 중심부 압력은 상상을 초월할 정도로 높으며, 그로 인해 수천만 년이라는 우주적 기준에서는 찰나에 불과한 시간 만에 수소 연료를 대부분 탕진하고 이미 죽음을 향해 초고속으로 폭주하고 있습니다. 천문학자들은 리겔의 미래가 그리 길지 않았으며, 머지않은 우주적 시일 내에 생을 마감하며 우주에서 가장 격렬한 대폭발인 '초신성 폭발'을 일으킬 것이 확실하다고 분석합니다. 비록 지구와 860광년이라는 안전거리가 확보되어 있어서 폭발이 일어나더라도 지구 생태계나 인류에게 직접적인 방사능 피해를 주지는 않겠지만, 만약 리겔이 폭발하는 날에는 밤하늘에서 몇 달 동안 보름달보다도 훨씬 더 밝게 빛나서 밤에도 글을 읽을 수 있을 정도의 장관이 연출될 것입니다. 우리의 눈에는 리겔이 그저 하나의 외로운 푸른 별처럼 보이지만, 실제로는 이 거대한 청색 초거성을 중심으로 최소 세 개 이상의 동반성들이 서로의 중력에 묶여 복잡한 궤도를 공전하고 있는 거대한 다중 항성계입니다. 리겔이 뿜어내는 이 압도적인 열에너지와 무시무시한 항성풍은 주변 수광년 범위의 우주 공간에 퍼져 있는 성간 가스와 먼지 구름들을 강력하게 밀어내며 우주의 지형지물 구조를 실시간으로 바꾸어 놓을 만큼 거대한 파괴력과 영향력을 행사하고 있습니다. 고려 시대의 우리 조상들이 밤하늘을 올려다보던 그 시절에 리겔을 출발한 푸른 빛이 차갑고 어두운 우주 공간을 860년 동안 단 한 순간도 쉬지 않고 날아와, 비로소 오늘 밤 우리의 눈동자에 닿아 소멸하고 있다는 사실을 생각하면 숭고한 경외감마저 듭니다.
오리온자리의 시한폭탄 베텔게우스와 우주의 진정한 거인 큰개자리 VY
청색 초거성 리겔의 서슬 퍼런 위용을 뒤로하고, 이번에는 오리온자리의 반대쪽 모퉁이인 왼쪽 위를 바라봅니다. 그곳에는 리겔의 차가운 푸른빛과 극적인 대비를 이루며, 곧 터질 것 같은 시한폭탄처럼 핏빛의 붉은 광채를 섬뜩하게 뿜어내고 있는 또 하나의 유명한 별이 있습니다. 바로 인류 역사상 가장 잘 알려진 적색 초거성이자 오리온자리의 알파성인 '베텔게우스'입니다. 지구에서 약 550광년 떨어진 곳에 위치한 베텔게우스는 우리가 맨눈으로 보아도 별의 붉은 색상이 너무나도 확연하고 뚜렷하게 관측되는 우주의 거인입니다. 베텔게우스가 가진 가장 압도적인 정체성은 바로 그 누구와도 비교를 거부하는 무지막지한 크기에 있습니다. 현재 과학계가 추정하는 베텔게우스의 반지름은 우리 태양 반지름의 약 700배 수준에 달합니다. 학자들의 관측 방식이나 별의 수축 주기에 따라 적게는 600배에서 많게는 800배까지 계산되는데, 이를 실제 지름으로 바꾸면 무려 10억 킬로미터가 넘어가는 상상 불가의 크기입니다. 이 크기가 얼마나 무시무시한지 확인하기 위해 다시 한번 태양 자리에 베텔게우스를 집어넣어 보겠습니다. 만약 베텔게우스가 태양 자리에 들어오게 된다면, 수성과 금성은 물론이고 우리가 살고 있는 지구와 그 뒤의 화성 궤도까지 완전히 별의 붉은 표면 내부 속으로 가라앉아 흡수되어 버립니다. 별의 표면이 화성을 넘어 저 멀리 거대한 목성의 공전 궤도 근처까지 도달하기 때문입니다. 우주에서 가장 빠른 존재인 빛조차도 이 별 앞에서는 무력해집니다. 태양의 지름을 빛이 통과하는 데는 고작 4.6초밖에 걸리지 않지만, 이 베텔게우스라는 적색 초거성의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 빛이 일직선으로 통과하는 데만 해도 무려 55분 이상의 긴 시간이 필요합니다. 인간의 지구적 거리 감각으로는 도저히 가늠조차 할 수 없는 초거대의 영역입니다. 그럼에도 불구하고 베텔게우스의 질량은 태양의 약 16배에서 19배 수준에 머무릅니다. 덩치는 수억 배나 더 커졌는데 무게는 고작 수십 배 늘어난 것에 불과하기 때문에, 이 별의 평균적인 밀도는 그야말로 극단적으로 낮습니다. 과학자들의 정밀 계산에 따르면 베텔게우스 내부의 평균 밀도는 우리가 숨 쉬는 지구상의 고도 높은 대기 상태보다도 훨씬 더 옅고 희박하여, 사실상 뜨겁고 거대한 진공 청소기 속 가스 구름과 다름없는 상태라고 합니다. 표면 온도는 약 3,500도로 리겔에 비하면 매우 차갑게 식어 있기 때문에 붉은빛을 띠게 됩니다. 별이 진화의 최말기에 도달하여 표면이 식음과 동시에 풍선처럼 팽창한 완벽한 적색 초거성의 교과서 같은 모습입니다. 현재 베텔게우스는 내일 당장 폭발해도 전혀 이상하지 않을 만큼 대단히 불안정하고 기괴한 상태에 놓여 있습니다. 별의 표면을 고해상도 망원경으로 촬영해 보면, 마치 거대하게 끓고 있는 찌개나 용암처럼 거대한 가스 덩어리들이 솟구쳤다 가라앉기를 반복하고 있으며, 그로 인해 별의 전체적인 밝기가 수시로 변하는 불규칙 변광성의 특징을 보입니다. 실제로 지난 2019년 말부터 2020년 초 사이에 전 세계 천문학계를 발칵 뒤집어 놓은 역사적인 사건이 있었습니다. 밤하늘에서 유난히 밝게 빛나던 베텔게우스가 불과 몇 달 만에 평소 밝기의 약 36% 수준까지 급격하게 어두워지며 역사상 최저 밝기를 기록한 것입니다. 당시 많은 언론과 학자들은 "마침내 베텔게우스의 수명이 다해 초신성 폭발을 일으키기 직전의 전조 증상이 나타난 것 아니냐"며 흥분과 두려움에 휩싸였습니다. 이 현상은 천문학계에서 '대감광(Great Dimming)'이라는 이름으로 기록되었습니다. 그러나 이후 허블 우주 망원경 등을 동원해 면밀히 사후 분석을 진행한 결과, 실제 원인은 베텔게우스가 표면에서 뿜어낸 거대한 가스 폭풍과 먼지 구름이 식으면서 별빛의 상당 부분을 일시적으로 가로막아 지구에서 보기에 어두워졌던 것으로 밝혀졌습니다. 베텔게우스는 현재 중심부에서 수소와 헬륨을 진작에 다 태우고 탄소, 산소, 규소를 넘어 가장 무거운 원소인 철을 만드는 핵융합의 막바지 단계에 진입한 시한폭탄입니다. 철은 핵융합을 할 때 에너지를 방출하지 않고 오히려 흡수하기 때문에, 중심부에서 철이 만들어지는 순간 별은 스스로의 무게를 견디지 못하고 순식간에 중심을 향해 무너지며 대폭발을 일으키게 됩니다. 다만 우주가 말하는 '곧'이라는 시간의 개념과 인간이 생각하는 '곧'은 완전히 다릅니다. 천문학적으로 내일 터진다는 말은 진짜 내일 밤일 수도 있지만, 인류의 역사가 몇 번은 더 바뀔 수 있는 수천 년 뒤의 미래일 수도 있습니다. 만약 우리의 생애 주기에 베텔게우스가 실제로 폭발한다면, 밤하늘에 보름달만 한 크기의 거대한 광원이 하나 더 생겨나 낮에도 태양 옆에서 번쩍이는 별을 볼 수 있는 인류 역사상 전무후무한 우주 쇼를 목격하게 될 것입니다. 15세기 조선 초기 세종대왕 시절에 이 별을 출발한 붉은 빛이 550년 동안 우주를 날아와 오늘 우리의 눈에 도달하고 있다는 사실을 곱씹어 보면, 이 별이 이미 수백 년 전에 터졌고 그 폭발의 빛이 지금도 우리를 향해 날아오고 있는 중일지도 모른다는 짜릿한 상상을 하게 만듭니다. 이제 우리는 이번 여정의 종착지이자, 인류가 광활한 우주를 관측하면서 발견해 낸 모든 별들 가운데 절대적인 크기 면에서 가장 극단적인 괴물들의 반열에 올라 있는 진정한 종판왕 별을 찾아 떠납니다. 지구로부터 약 3,900광년이라는 아득히 먼 은하계의 변방, 큰개자리 방향에 묵묵히 숨어 있는 적색 초거성 '큰개자리 VY(VY Canis Majoris)'가 바로 그 주인공입니다. 이 별은 너무나도 멀리 떨어져 있고 두꺼운 우주 먼지에 가려져 있어서 인간의 맨눈으로는 아쉽게도 보이지 않지만, 그 물리적인 덩치의 규모만큼은 지금까지 우리가 언급한 그 어떤 거성들과도 비교를 불허하는 우주의 절대 강자입니다. 큰개자리 VY의 현재 추정 반지름은 무려 우리 태양 반지름의 약 1,400배에 달합니다. 연구 단체나 관측 장비의 한계에 따라 최소 1,300배에서 최대 1,500배 사이로 계산되는데, 이 수치를 지름으로 환산하면 약 19억에서 20억 킬로미터라는, 인간의 두뇌로는 도저히 구조적인 입체감을 인지할 수조차 없는 정신 아득해지는 크기가 도출됩니다. 만약 이 거대한 괴물 별을 우리 태양계 중심에 배치한다면 태양계의 패러다임은 문자 그대로 완전히 파멸을 맞이하게 됩니다. 수성, 금성, 지구, 화성은 논할 가치도 없이 눈 깜짝할 새 별의 중심부 깊은 지하 속으로 가라앉아 녹아 없어지며, 태양계에서 가장 덩치가 큰 목성의 공전 궤도 전체마저도 이 별의 붉은 표면 안쪽 공간에 여유롭게 처박히게 됩니다. 심지어 일부 천문학자들의 극단적인 계산에 따르면, 별의 바깥쪽 대기 경계선이 여섯 번째 행성인 토성의 공전 궤도 근처까지 도달할 수 있다는 충격적인 분석마저 존재합니다. 우주에서 가장 빠르다는 빛조차도 이 거인의 몸집 앞에서는 거북이처럼 느껴집니다. 빛이 큰개자리 VY의 거대한 지름을 한쪽 끝 표면에서 출발해 반대쪽 끝 표면까지 도달하는 데만 해도 무려 1시간 50분 이상의 긴 시간이 걸립니다. 만약 인간이 만든 고속 자동차를 타고 이 별의 둘레를 한 바퀴 도는 여행을 떠난다고 가정해 보겠습니다. 삼국 시대나 고려 시대 초기에 지구를 출발한 자동차가 시속 100킬로미터의 속도로 단 1초도 쉬지 않고 오늘날 2026년까지 수천 년 동안 밤낮으로 달려야 겨우 별의 반대편 중간 지점에 도달할 수 있을 정도의 허무맹랑한 크기입니다. 하지만 이 별의 전체 질량은 태양의 약 17배 정도로 추정되어, 크기에 비하면 무게가 너무나도 가볍습니다. 반지름이 태양의 1,400배나 커졌다는 것은 부피가 수십억 배 이상 증가했다는 뜻인데 질량은 고작 17배뿐이니, 이 별의 외곽 대기 상태는 사실상 완벽한 진공에 가까운 옅은 가스 안개 무리에 가깝습니다. 표면 온도는 약 3,490도로 매우 낮아 가공할 만한 선홍빛의 붉은색을 띠고 있으며, 실제 방출하는 에너지는 태양의 약 27만 배에 달하지만 두꺼운 성간 먼지 고치에 스스로의 몸을 가두고 있어서 가시광선 영역에서는 그 에너지가 많이 차단되어 보입니다. 현재 큰개자리 VY는 초속 수백 킬로미터에 달하는 무시무시한 항성풍을 사방으로 발사하며, 매년 지구 몇 개 분량에 달하는 엄청난 양의 자기 자신 몸무게를 우주 공간으로 사정없이 흩뿌려 버리는 극심한 질량 방출 과정을 겪고 있습니다. 중심부의 핵연료가 완전히 바닥나 균형을 잃어버린 생의 최종 종착역에 도달했기 때문입니다. 머지않은 미래에 이 별이 마침내 무너지며 폭발하는 순간에는, 일반적인 초신성을 뛰어넘는 우주 최고의 대폭발인 '극초신성(Hypernova)'을 일으키며 우주 공간에 거대한 감마선 폭발을 유포할 것으로 보입니다. 그리고 그 폭발이 휩쓸고 간 상처 가득한 중심부 자리에는, 빛조차 빠져나올 수 없는 우주상 가장 기괴한 천체인 '블랙홀'이나 고도로 압축된 '중성자별'이 외롭게 탄생하여 새로운 우주의 역사를 쓰게 될 것입니다. 물론 큰개자리 VY가 우주 전체에서 절대적으로 가장 큰 별이라고 100% 단정 지을 수는 없습니다. 천문학 기술이 발전함에 따라 방패자리 UY나 스티븐슨 2-18처럼 더 거대한 크기를 주장하는 새로운 초거성 후보들이 계속해서 발견되고 있기 때문입니다. 그러나 이 거대한 별이 뿜어낸 붉은 빛이 차가운 은하계를 가로질러 무려 3,900년이라는 기나긴 세월 동안 외롭게 날아와 마침내 오늘 밤 우리에게 가닿는 순간, 우리가 지구라는 작은 행성 안에서 아웅다웅하며 느끼던 '크다' 혹은 '멀다'라는 일상적인 개념의 정의는 우주의 거대한 스케일 앞에서 완전히 새로 쓰이게 됩니다. 인간의 미약한 존재감을 깨달음과 동시에 우주가 품은 끝없는 신비에 겸손해지는 밤입니다.
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