백색왜성의 발생과 생애, 찬드라세카르 한계

 

백색왜성의 발생과 생애, 찬드라세카르 한계

 

찬란한 별들의 3막, 백색왜성

 우리가 밤하늘을 올려다보면 별들의 빛이 반짝입니다. 그러나 이 별들은 영원히 빛나는 것이 아닙니다. 별들도 우리와 같이 태어나고, 살아가며, 결국에는 죽음을 맞이합니다. 별들의 죽음 중 한 가지가 바로 '백색왜성'입니다. 이번 포스팅에서는 백색왜성의 발생과 생애, 그리고 찬드라세카르 한계에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

 

백색왜성의 발생

현대의 항성 진화 이론에 따르면, 중간 이하의 질량을 지닌 모든 항성(태양 질량의 4배 미만인 별들)은 생의 마지막 단계에서 백색 왜성 상태에 도달하게 됩니다. 태양과 같은 별들은 수소를 헬륨으로 융합하는 핵융합 과정을 통해 에너지를 생성하며 빛납니다.

 

수소 연료가 고갈되면 헬륨이 탄소와 산소로 융합됩니다. (이 헬륨 융합 과정 중에 항성은 적생 거성으로 변하게 됩니다.)

 

그러나 헬륨 연료마저 소진되면 별은 더 이상 핵융합을 지속할 수 없고, 중력에 의해 중심부가 붕괴하게 됩니다. 이때 항성은 적색거성으로 변하게 된 상태이며, 거의 모든 외부 대기의 물질을 행성상 성운을 형성하며 방출하게 됩니다. 이 과정에서 외곽층이 날아가고 남은 중심핵이 바로 초기 백색왜성입니다.

 

백색왜성은 매우 작지만, 엄청난 밀도와 100,000도 이상의 온도를 가지고 있습니다. 이 별들은 안쪽으로 당기는 중력과 바깥쪽으로 밀려나는 퇴화한 전자의 압력 사이의 평형 상태에 있습니다.

 

 

 

백색왜성의 생애

백색왜성의 생애는 매우 길고 조용합니다. 이제 자체적으로 핵융합을 할 수 없는 백색왜성은 빛을 내지 못하며, 에너지를 생성할 수 없고, 남아 있는 열 에너지를 천천히 방출하면서 서서히, 수백억년 이상의 세월 동안 식어갑니다. 이 과정에서 백색왜성은 점점 식어가면서 빛을 잃고, 결국에는 검은색 왜성으로 변할 것입니다.

 

하지만 우주의 나이가 아직 충분히 오래되지 않았기 때문에, 약 137억년으로 추정되는 우주에 살고 있는 우리는 검은색 왜성을 아직 관할 수 없습니다. 백색왜성의 냉각 시간은 수십억 년에 달하기 때문에, 이들은 우주에서 가장 오래된 천체들 중 하나로 여겨집니다.

 

 

찬드라세카르 한계(Chandrasekhar limit)

찬드라세카르 한계는 백색왜성이 최대 질량에 도달할 수 있는 한계로, 약 1.44 태양질량에 해당합니다. 이 한계를 처음으로 계산한 인도 출신의 천체물리학자 수브라마니안 찬드라세카르의 이름을 따왔습니다.

 

만약 백색왜성의 질량이 이 한계를 초과하게 되면, 중력에 의해 더 이상 전자 축퇴압으로 지탱할 수 없게 되어 중성자별이나 블랙홀로 붕괴하게 됩니다. 따라서 백색왜성은 이 한계를 넘지 못한 별들을 말합니다.

 

별들의 생애

찬드라세카르 한계를 넘은 별, 초신성(supernova)

백색왜성은 찬드라세카르 한계로 말미암아 태양 질량의 1.4배를 초과할 수 없습니다. 한계 이상의 질량을 가진 백색 왜성은 중력붕괴가 계속 일어나 다른 형태의 밀집성(중성자별이나 블랙홀)으로 진화하게 되기 때문입니다. 하지만, 이 한계를 넘어설 수 있는 방법이 존재합니다.

 

쌍성계를 이루는 백색 왜성은, 동반성으로부터 물질을 계속해서 받아들입니다. 만약 흡수한 물질이 백색왜성을 짓눌러서 축퇴압력이 더이상 버티지 못하는 수준에 이른다면, 백색왜성은 폭발하게 됩니다. 이것은 Ia형 초신성입니다. 모든 초신성 형태 가운데 가장 강력한 형태입니다.

 

만약 수소를 비롯한 흡수 물질이 백색왜성을 짓누르지 않고 대신 표면에서 핵융합을 일으킨다면, 백색왜성은 생성된 에너지로 밝게 빛나면서 대기를 우주로 발산하게 됩니다. 이러한 현상이 신성입니다. 이 경우 백색 왜성의 핵은 실제 반응하지 않고 그대로 유지되므로, 동반성으로부터 수소만 계속 유입된다면 몇번이고 신성이 될 수 있습니다.

 

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결론

백색왜성은 별의 죽음을 의미하는 중요한 천체입니다. 대부분의 항성은 핵융합 최후의 단계에서 대부분의 질량을 우주로 방출하기 때문에 백색왜성으로 수명을 마치게 됩니다. 그것의 최대 질량인 찬드라세카르 한계를 넘지 못한다면요. 이 작은 천체들은 우주에서 가장 오래된 존재들 중 하나로, 백색왜성을 연구하는 일은 우주의 신비를 풀어가는 흥미로운 여정이 될 것입니다.