지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

주계열성

수소 핵융합이 일어나는 안정된 단계로, H-R도 좌상단(고온·고광도)에서 우하단(저온·저광도)으로 이어진다.

주계열성은 중심에서 수소가 헬륨으로 융합되며 안정적으로 빛나는 시기의 별로, H-R도에서 왼쪽 위(고온·고광도)부터 오른쪽 아래(저온·저광도)까지 이어지는 띠를 이룹니다.

주계열은 별의 '한창때'입니다. 중력이 안으로 당기는 힘과 내부의 압력이 밖으로 미는 힘이 정확히 맞물려, 별은 수십억 년 동안 거의 같은 크기와 밝기를 유지합니다.

쉽게 말하면

별의 진화에서 보았듯, 원시별의 중심 온도가 충분히 올라 수소 핵융합이 시작되는 순간부터 별은 주계열성이 됩니다(별의 에너지원(핵융합)). 별은 일생의 약 90%를 이 상태로 보냅니다.

주계열성이 안정적인 이유는 정역학 평형에 있습니다. 별을 짜부라뜨리려는 중력과, 뜨거운 기체가 밖으로 밀어내는 압력이 정확히 균형을 이룹니다. 더 중요한 것은 이 균형이 스스로 조절된다는 점입니다. 핵융합이 너무 세지면 중심이 뜨거워져 팽창하고, 팽창하면 식어서 반응이 다시 약해집니다. 반대로 반응이 약해지면 별이 조금 수축해 중심이 뜨거워지고 반응이 되살아납니다. 이 되먹임 덕분에 별은 스스로 온도를 조절하는 안정된 화로가 됩니다.

주계열의 띠 위에서 별의 위치를 정하는 것은 오직 질량입니다. 질량이 크면 중력이 강해 중심 온도와 압력이 높고, 핵융합이 훨씬 격렬해 광도가 크고 표면도 뜨겁습니다 — H-R도의 왼쪽 위입니다. 질량이 작으면 그 반대인 오른쪽 아래에 놓입니다. 즉 주계열의 대각선은 사실상 질량의 눈금자입니다.

그런데 광도는 질량보다 훨씬 가파르게 커집니다. 질량이 몇 배 커지면 광도는 수십, 수백 배가 됩니다. 수명은 '가진 연료(질량)'를 '태우는 속도(광도)'로 나눈 값이므로, 질량이 큰 별일수록 수명이 급격히 짧아집니다. 무거운 주계열성은 가장 밝게 빛나지만 가장 먼저 무대를 떠납니다.

중심의 수소가 다 떨어지면 이 평형이 무너지고, 별은 주계열을 떠나 부풀기 시작합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

태양의 자기 조절

태양의 중심에서 핵융합이 잠시 강해지면 중심부가 팽창하며 온도가 내려가고, 온도가 내려가면 반응 속도가 줄어듭니다. 브레이크가 저절로 걸리는 셈입니다. 태양이 수십억 년 동안 거의 같은 밝기를 유지해 온 것은 이 되먹임 덕분입니다.
예시 2

질량이 정하는 세 가지

주계열성의 표면 온도, 광도, 수명이 모두 질량 하나로 거의 결정됩니다. 주계열성의 질량만 알려 주면 그 별이 H-R도의 어디에 있고 얼마나 살지 대략 말할 수 있습니다. 별 전체를 통틀어 이렇게 단순한 시기는 주계열뿐입니다.
예시 3

성단의 전향점

함께 태어난 성단에서는 무거운 별부터 차례로 주계열을 떠납니다. 시간이 지날수록 주계열의 왼쪽 위부터 비어 가고, 아직 주계열에 남은 별들 중 가장 무거운 것이 어디인지가 곧 성단의 나이를 알려 줍니다.

자주 하는 오해

주계열성을 '중간 크기의 평범한 별'이라는 종류로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움주계열성은 태양처럼 적당한 크기의 별을 가리키는 이름이다

실제로는주계열은 크기가 아니라 에너지원으로 정의됩니다. 중심에서 수소를 헬륨으로 융합하고 있으면 주계열성입니다. 그래서 주계열에는 태양보다 훨씬 뜨겁고 거대한 별부터 훨씬 작고 어두운 별까지 모두 포함됩니다.

H-R도의 주계열이 짧은 점이 아니라 대각선으로 길게 뻗은 띠라는 것이 그 증거입니다. 왼쪽 위 끝과 오른쪽 아래 끝은 온도도 광도도 하늘과 땅 차이지만, 둘 다 '중심에서 수소를 태우고 있다'는 한 가지를 공유합니다. 그리고 주계열성은 별의 종류가 아니라 별의 한 시기라는 점도 함께 기억하세요 — 지금 주계열에 있는 별도 언젠가 거성이 됩니다.

주계열 동안에도 별이 계속 수축하고 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움중력이 늘 당기고 있으니 별은 조금씩이라도 계속 줄어들 것이다

실제로는주계열 동안 별의 크기는 거의 변하지 않습니다. 중력과 내부 압력이 균형을 이루는 정역학 평형 상태이기 때문입니다.

중력이 '작용하고 있다'는 것과 '이기고 있다'는 것은 다릅니다. 핵융합이 중심을 계속 데워 압력을 유지해 주는 한, 중력과 압력은 팽팽히 맞섭니다. 별이 수축하는 것은 오히려 그 지지대가 사라질 때입니다 — 중심의 수소가 떨어지면 핵이 수축하기 시작하고, 거기서부터 진화의 다음 장이 열립니다.