별의 질량과 성단

질량이 더 큰 별의 진화

우리가 지금까지 설명한 것이 별과 원소의 진화에 대한 전체 이야기였다면, 우리는 큰 문제를 안고 있을 것이다. 우리는 뒷 장에서 보게 될 것입니다. 그러나 질량이 큰 별들이 우리가 개략적으로 설명한 이야기와 다른 중요한 방법은 그들이 중심과 중심 지역을 둘러싼 껍질에서 추가적인 종류의 융합을 시작할 수 있다는 것입니다. 태양 질량이 약 8배 이상인 별의 바깥쪽 층은 탄소핵의 융합에 불을 붙일 정도로 뜨거워질 때까지 탄소-산소 핵을 압축하기에 충분한 무게를 가지고 있다. 탄소는 더 많은 산소로 융합될 수 있고, 더 높은 온도에서 산소와 네온, 마그네슘, 그리고 마지막으로 실리콘은 더 무거운 원소를 만들 수 있습니다. 그러나 철은 이 과정의 끝입니다. 철 원자의 융합은 융합되는 핵보다 더 큰 생성물을 생성하며, 따라서 그 과정은 지금까지의 모든 핵융합 반응이 해왔던 에너지를 방출하는 것과는 반대로 에너지를 필요로 한다.

 

이 필요한 에너지는 항성 자체를 희생하여 발생하며, 이 별은 현재 죽음의 문턱에 있습니다. 다음에 무슨 일이 일어날지는 별의 죽음에 관한 장에서 설명될 것이다.물리학자들은 이제 더 질량이 큰 적색 거성의 중심에서 이 핵합성(새로운 원자핵의 생성)에 의해 거의 모든 원자 중량의 화학 원소가 형성될 수 있는 핵 경로를 발견했다. 이것은 여전히 철보다 무거운 원소가 어디에서 오는지에 대한 의문을 남긴다. 우리는 다음 장에서 무거운 별들이 마침내 핵연료를 소진할 때, 그들은 종종 엄청난 폭발, 즉 초신성으로 죽는다는 것을 알게 될 것이다. 더 무거운 원소는 그러한 폭발의 놀라운 폭력 속에서 합성될 수 있다.

우리는 이 방법으로 우리의 세계와 다른 것들을 구성하는 원소들이 어디에서 왔는지 설명할 수 있을 뿐만 아니라, 별 내부의 핵합성에 대한 우리의 이론은 심지어 원소들이 자연에서 일어나는 상대적 풍부함을 예측할 수 있다. 별이 다양한 핵반응을 하는 동안 원소를 만드는 방법은 왜 어떤 원소들은 흔하고 다른 원소들은 꽤 드문지를 설명해 줄 수 있다.

 

구상 성단과 산개 성단의 차이

원소가 시간이 지남에 따라 별에서 만들어진다는 사실은 구상 성단과 산개 성단 사이의 중요한 차이를 설명해 줍니다. 수소와 헬륨은 태양 근처의 별에서 가장 풍부한 원소이며, 두 성단 모두에서 가장 풍부한 별 구성 요소이기도 합니다. 그러나 헬륨보다 무거운 원소의 함량은 매우 다르다.

태양과 그 주변의 대부분의 별에서 수소와 헬륨보다 무거운 원소들의 총 존재량은 별 질량의 1~4%이다. 스펙트럼은 또한 대부분의 산개성단 별들이 무거운 원소의 형태로 물질의 1~4%를 가지고 있다는 것을 보여준다. 그러나 구상성단은 다른 이야기다. 전형적인 구상 성단에서 무거운 원소의 풍부함은 태양의 1/10에서 1/100 정도밖에 되지 않습니다. 성단에 속하지 않은 몇몇 아주 오래된 별들은 무거운 원소들의 함량이 훨씬 더 낮은 것으로 발견되었다.

화학 조성의 차이는 별들의 성단 형성에 따른 직접적인 결과이다. 첫 번째 세대의 별들은 처음에는 수소와 헬륨만을 포함하고 있었다. 우리는 이 별들이 에너지를 생성하기 위해 내부에 무거운 원소들을 만들어냈다는 것을 보았습니다. 인생의 마지막 단계에서, 그들은 무거운 원소가 풍부해진 물질을 별들 사이의 원료 저장소로 방출했습니다. 그리고 나서 그러한 물질은 새로운 세대의 별에 통합되었다.

이것은 우리가 과거를 더 자세히 들여다 볼수록 무거운 원소의 상대적 풍부함이 점점 줄어들어야 한다는 것을 의미합니다. 구상성단이 산개성단보다 훨씬 오래되었다는 것을 알 수 있었습니다. 구상성단별은 산개성단별보다 훨씬 일찍(즉, 초기 세대의 별) 형성되었기 때문에, 수소와 헬륨보다 무거운 원소들이 상대적으로 많이 포함되어 있지 않습니다.

시간이 지날수록 새로운 별과 행성을 만드는 "원재료"에서 무거운 원소의 비율은 증가한다. 이것은 우리 은하에서 형성된 1세대 별들이 실리콘, 철, 그리고 많은 다른 무거운 원소들로 가득 찬 지구와 같은 행성을 동반하지 않았을 것이라는 것을 의미합니다. 지구(그리고 그 위에 사는 천문학 학생)는 여러 세대의 별들이 무거운 원소들을 만들고 재활용할 수 있는 기회를 가진 후에야 가능했다.

이제 수소와 헬륨으로만 이루어진 진짜 1세대 별에 대한 연구가 진행되고 있다. 이론들은 그러한 별들이 매우 크고, 빨리 살고, 빨리 죽어야 한다고 예측한다. 그들은 오래 전에 죽고 살았어야 했다. 우주가 불과 수억 년 전에 형성되었지만, 그 빛은 이제 겨우 지구에 도달하고 있는 아주 먼 은하에서 그들을 찾을 수 있습니다.