지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

백색왜성·중성자별·블랙홀

태양 질량 이하 별의 최후는 백색왜성, 1.4~3M☉은 중성자별(펄사), 3M☉ 초과는 블랙홀로 끝나는 것을 이해한다.

별이 남기는 최후의 잔해는 질량이 결정합니다 — 태양 정도의 별은 백색왜성이 되고, 초신성 뒤 남은 핵이 약

1.4 \sim 3 M_{⊙}

이면 중성자별,

3 M_{⊙}

을 넘으면 블랙홀이 됩니다.

셋 다 '핵융합을 멈춘 별의 시체'이고, 차이는 중력이 얼마나 세게 눌렀느냐뿐입니다. 눌리다 멈추면 백색왜성, 더 눌리면 중성자별, 아무것도 버티지 못하면 블랙홀입니다.

쉽게 말하면

별의 진화의 마지막 장입니다. 핵융합이 끝나면 별을 지탱하던 압력이 사라지고, 중력만이 홀로 남습니다. 이제 무엇이 그 중력을 버텨 내느냐로 잔해의 정체가 갈립니다.

백색왜성은 태양 정도 질량의 별이 남기는 것입니다. 적색 거성이 바깥층을 흘려보내고 나면 뜨거운 중심핵만 남는데, 이 핵은 더 이상 핵융합을 하지 않습니다. 그런데도 무너지지 않는 것은, 전자들이 극단적으로 압축될 때 생기는 압력이 중력을 버텨 주기 때문입니다. 크기는 지구만 한데 질량은 태양급이라 밀도가 상상을 초월합니다. 백색왜성은 남은 열로 희미하게 빛나며 아주 천천히 식어 갑니다.

그러나 이 버팀에도 한계가 있습니다. 남은 핵의 질량이 약 $1.4 M_{⊙}$ (태양 질량)을 넘으면 전자의 압력으로는 감당할 수 없습니다. 초신성 폭발 뒤 남은 핵이 더 무거우면, 중력이 전자를 원자핵 안으로 밀어 넣어 양성자와 결합시켜 버립니다. 그렇게 거의 전부가 중성자로만 이루어진 천체가 중성자별입니다. 질량은 태양급인데 반지름은 약 $10 km$ , 도시 하나 크기입니다. 대개 매우 빠르게 자전하며 강한 자기장을 가지고 있어, 전파를 등대처럼 규칙적으로 내보내는 것이 관측되기도 합니다 — 이런 중성자별을 펄사라고 합니다.

남은 핵의 질량이 약 $3 M_{⊙}$ 을 넘으면 중성자조차 중력을 버티지 못합니다. 붕괴를 멈출 것이 아무것도 없어 물질이 한없이 수축하고, 결국 빛조차 빠져나올 수 없는 영역이 생깁니다. 이것이 블랙홀이고, 빛이 탈출할 수 없게 되는 경계를 사건의 지평선이라 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

백색왜성 한 숟갈의 무게

태양만 한 질량이 지구만 한 부피에 갇혀 있으니, 백색왜성 물질 한 숟갈은 지구에서라면 자동차 여러 대에 맞먹는 무게가 됩니다. 중성자별은 여기서 한참 더 나아가, 태양급 질량이 반지름 약 $10 km$ 안에 들어 있습니다.
예시 2

펄사, 우주의 등대

중성자별이 빠르게 자전하면서 자극 방향으로 전파를 내보내면, 그 빔이 지구를 스칠 때마다 신호가 규칙적으로 깜빡입니다. 등대의 불빛이 돌면서 깜빡이는 것과 같은 원리입니다. 처음 발견되었을 때 그 규칙성 때문에 크게 주목받았습니다.
예시 3

블랙홀은 어떻게 관측할까

빛이 나오지 않으니 직접 볼 수는 없습니다. 대신 주변 물질이 블랙홀로 빨려 들어가며 마찰로 뜨거워져 강한 X선을 내는 것, 그리고 근처 별이 보이지 않는 무언가를 중심으로 도는 것을 통해 존재를 알아냅니다.

별의 세 가지 최후

구분	백색왜성	중성자별	블랙홀
남은 핵의 질량	약 $1.4 M_{⊙}$ 이하	약 $1.4 \sim 3 M_{⊙}$	약 $3 M_{⊙}$ 초과
앞선 사건	적색 거성이 바깥층 방출	초신성 폭발	초신성 폭발
중력을 버티는 것	압축된 전자의 압력	압축된 중성자의 압력	버티지 못함
크기	지구 정도	반지름 약 $10 km$	사건의 지평선 안
빛	남은 열로 희미하게 빛남	전파 등을 방출 (펄사)	빛이 빠져나오지 못함

자주 하는 오해

블랙홀이 주변의 모든 것을 빨아들이는 청소기라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움블랙홀이 있으면 근처의 별과 행성이 모두 빨려 들어간다

실제로는멀리서 보면 블랙홀의 중력은 같은 질량의 보통 별과 똑같습니다. 태양이 갑자기 같은 질량의 블랙홀로 바뀌어도 지구의 궤도는 변하지 않습니다 — 어두워질 뿐입니다.

중력의 크기는 질량과 거리로 정해집니다(만유인력). 블랙홀이 특별한 것은 질량이 유난히 커서가 아니라, 그 질량이 극도로 좁은 공간에 몰려 있어 아주 가까이까지 접근할 수 있다는 점입니다. 보통 별이라면 표면에 막혀 더 가까이 갈 수 없지만, 블랙홀에는 막을 표면이 없어 계속 가까워질 수 있고 그만큼 중력이 무한정 세집니다. '빨아들이는 힘'이 따로 있는 것이 아니라 '가까이 갈 수 있다'는 것이 전부입니다.

백색왜성이 핵융합으로 빛난다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움백색왜성도 하얗게 빛나니 별처럼 핵융합을 하고 있을 것이다

실제로는백색왜성은 핵융합을 하지 않습니다. 예전에 뜨거웠던 중심핵의 남은 열로 빛날 뿐이며, 아주 오랜 시간에 걸쳐 식어 갑니다.

'별'이라는 말은 원래 스스로 핵융합으로 에너지를 만드는 천체를 뜻하는데, 백색왜성은 그 자격을 잃은 잔해입니다. 그래서 백색왜성은 시간이 갈수록 어두워지기만 하고 다시 밝아지지 않습니다. 표면이 뜨거워 희게 보이면서도 광도가 아주 작은 것도 이 때문입니다 — 크기가 작아 내보낼 표면이 없고, 새로 만드는 에너지도 없습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

별의 진화고2 초신성고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 태양계 천체와 별과 우주의 진화

자주 묻는 질문

Q1별의 최후를 정하는 것은 별의 '크기'인가요, '질량'인가요?

질량입니다. 적색 거성은 어마어마하게 크지만 질량이 작으면 백색왜성으로 조용히 끝납니다. 크기는 진화 과정에서 계속 변하지만, 최후를 가르는 것은 남은 핵이 얼마나 무거운가입니다.

Q2중성자별은 왜 그렇게 빠르게 자전하나요?

회전하던 별의 중심핵이 아주 작은 크기로 급격히 수축했기 때문입니다. 회전하는 물체가 안쪽으로 모이면 회전이 빨라집니다. 반지름이 수십만 km에서 약

10 km

로 줄어드는 동안 회전은 극적으로 빨라집니다.

Q3블랙홀 안은 어떻게 되어 있나요?

사건의 지평선 안쪽의 정보는 빛으로도 나올 수 없기 때문에, 우리가 관측으로 확인할 수 있는 것은 지평선 바깥뿐입니다. 교육과정 수준에서는 '빛조차 탈출할 수 없는 영역'이라는 것과, 그 경계가 사건의 지평선이라는 것까지 확실히 이해하면 충분합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 지구과학 · 태양계 천체와 별과 우주의 진화 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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별들이 만든 원소가 어떻게 우주로 퍼져 다음 세대의 별과 우리를 만들었는지 궁금하다면, 별이 처음 에너지를 만들어 낸 원리인 별의 에너지원(핵융합)부터 다시 짚어 보세요.

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