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밤하늘에서 오리온자리를 관측해 보면 별의 주변에서 밝게 빛나는 구름과 같은 것을 볼 수 있다. 이것은 우주 공간에 존재하는 기체와 먼지 티끌이 모여 마치 구름처럼 보이는 것으로, 이를 성간운이라고 한다. 우리가 관측하는 별들은 이와 같은 성간운에 있는 물질이 모여 뭉쳐지면서 탄생한 것이다. 성간운에서 처음에 별은 어떻게 탄생하는 것일까? 처음에 별은 성 운이 모이면서 탄생하기 시작한다. 성간운의 일부가 외부 요인 때문에 밀도가 높아지면 중력이 다른 지역보다 커져서 주변의 물질을 끌어 모은다. 이렇게 물질이 모이면서 성간운 중심에는 거대한 가스 구름의 소용돌이가 생기며 이곳에서 새로운 천체가 탄생하게 된다. 이렇게 형 된 천체가 원시 항성이다. 원시 항성이 탄생한 후 성간운을 구성하는 기체와 먼지 티끌은 중의 영향으로 원시 항성의 중심부로 계속 끌려 들어가고, 성간운은 소용돌이치면서 점점 더 수축한다. 이와 같은 수축은 원시 항성 내부의 온도와 압력을 크게 증가시키며, 이때 발생하는 열은 원시 항성의 표면으로 빠져나온다. 이 과정에서 원시 항성은 짙은 빨간색으로 빛나며 많은 적외선을 방출한다. 이와같이 원시 항성은 성간 공간에 존재하는 성간운이 회전하면서 그 내부에서 형성되는 것이다. 이 무렵 기체와 먼지 티끌로 이루어진 원시 항성 주변의 원반에서는 물질이 뭉치면서 행성을 형성한다. 별의 생성 과정이 이와 같은 단계까지 진행되면 중심에 있는 원시 항성은 비로소 스스로 빛을 내기 시작하여 별이 된다. 새롭게 태어나는 별은 어떻게 스스로 빛을 내는 것일까? 원시 항성을 구성하는 물질의 대부분은 수소로 이루어져 있다. 원시 항성 중심부의 온도가 10K에 이르면 별을 구성하고 있던 수소는 핵융합 반응을 일으킨다. 핵융합 반응이란 고온 고밀도 상태인 별의 중심부에서 가벼운 원자핵이 서로 융합하여 보다 무거운 원자핵이 생성되는 것으로, 이 과정에서 막대한 에너지가 방출된다. 별의 내부에서 수소 원자의 핵융합 반응이 일어나면 결과적으로 4개의 수소 원자핵이 융합되어 1개의 헬륨 원자핵이 생성된다. 이 과정에서 수소 원자핵 4개의 질량이 헬륨 원자핵 1개의 질량보다 무겁기 때문에 반응 전과 후에는 질량에 차이가 생긴다. 이 질량의 차이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 유도된 질량-에너지 등가의 원리와 같이 에너지로 전환된다. 이렇게 만들어진 에너지가 별의 외부로 방출되면서 별은 스스로 빛을 낸다. 그러나 고밀도인 별의 중심에서도 4개의 수소 핵이 동시에 충돌하여 핵융합이 일어나는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 실제 별의 내부에서는 수소의 핵융합 반응이 연속적으로 일어나면서 에너지를 방출하고 있다. 우주에서 가장 먼저 태어난 별은 대부분 수소로 이루어져 있다. 그러나 별이 에너지를 생성하는 과정에서 수소의 핵융합 반응이 일어나면 별의 중심핵에서는 헬륨이 만들어지고, 이후에도 새로운 원소가 핵융합 반응을 하여 다른 물질을 생성하게 된다. 별에서 새로운 물질이 생성되는 것은 별의 진화 과정과 관계가 있으며, 별은 질량에 따라 서로 다른 진화 과정을 거친다. 먼저 질량이 크고 고온인 밝은 별은 밝기를 유지하기 위해 수소를 빨리 소모하므로 별의 일생이 매우 짧다. 따라서 이러한 별들은 단지 수백만 년 동안만 주계열성으로 존재하면서 빛을 낸다. 그러나 질량이 작고 저온인 어두운 별은 수소를 천천히 소모하므로 별의 일생이 매우 길다. 따라서 이러한 별들은 주계열성에서 수십억 년 정도의 시간을 보낸다. 한편, 별이 수소 핵융합 반응으로 중심핵의 수소를 모두 사용하면 더 이상 중심핵에서는 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 이후 헬륨으로 이루어진 핵은 중력에 의해 수축하기 시작하고, 핵의 주변에 있던 수소로 이루어진 별의 껍질이 연소하기 시작한다. 이때 수소의 양이 지속적으로 줄어들면서 수소로 이루어진 껍질은 점점 더 바깥쪽으로 이동하면서 별은 팽창한다. 별은 팽창함에 따라 표면 온도는 낮아지고 색은 붉게 변한다. 이와같이 형성된 밝고 큰 붉은색의 별을 적색 거성이라고 한다. 적색 거성은 표면적이 크기 때문에 밝지만 표면 온도는 낮은 별이다. 태양도 시간이 지나면 적색 거성으로 진화한다. 별의 중심에 만들어진 헬륨의 핵은 중력으로 수축되어 온도가 높아진다. 이때 별 중심부의 온도는 약 10°K 이상까지 상승한다. 중심부의 온도가 10°K 이상이 되면 수소 대신 헬륨이 핵융합 반응을 일으키기 시작한다. 헬륨이 핵융합 반응을 할 때는 3개의 헬륨핵이 동시에 반응하며, 반응 후에는 탄소의 핵을 형성한다. 즉, 별의 중심에서는 헬륨의 연소 후에 탄소로 이루어진 핵이 형성되며, 이러한 반응이 일어나면서 별은 다시 빛나게 된다. 이후 별이 진화하는 과정은 별의 질량에 따라 서로 다르게 나타난다. 크기와 질량이 중간 정도인 별은 진화하는 과정에서 대부분의 시간을 주계열성으로 보낸다. 밤하늘에서 관측되는 별의 대부분은 주계열성이다. 먼저 질량이 태양 정도인 별은 헬륨을 연소하여 모두 사용하면 적색 거성이 된다. 이후 별의 가장 바깥쪽을 감싸던 수소와 같은 물질들은 우주 공간으로 사라지고, 나머지 물질들은 팽창하면서 거대한 성운을 형성한다. 이를 행성상 성운이라고 한다. 헬륨을 모두 연소한 별은 더 이상 중력의 끌리는 힘을 견디지 못하고 중심을 향해 수축한다. 중력에 의한 수축이 일어나 별의 온도와 압력이 매우 높아지면, 중심핵을 구성하는 물질의 원자에서 전자가 궤도를 이탈하여 핵과 전자로 이루어진 중심핵이 형성 된다. 이와 같이 핵과 전자로만 이루어진 별을 백색 왜성이라고 한다. 한편 질량이 태양보다 약 4배 이상인 별에서는 헬륨이 연소하여 만들어진 탄소로 이루어진 중심핵이 자체의 중력 때문에 수축한다. 중심핵의 수축으로 핵의 온도가 계속 높아져 6×10°K가 되면 탄소로 이루어진 중심핵이 핵융합을 일으키기 시작한다. 탄소가 핵융합을 일으키면 별의 내부에서는 새로운 순환이 시작된다. 즉, ‘중력 수축 → 온도 상승 → 핵융합 시작 → 새로운 원소 생성 → 핵융합 반응의 중단 → 중력 수축’의 과정이 반복된다. 이러한 과정을 통해 산소나 규소와 같이 탄소보다 무거운 원소들이 별의 중심에서 생성되면서 핵융합 반응을 일으키고, 마지막에 철을 남기면서 핵융합 반응은 끝을 맺는다. 철은 핵융합 반응을 일으킬 때 열을 방출하지 않고 오히려 흡수하므로, 철로 이루어진 핵이 형성된 후에는 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 별 내부의 원소 태양보다 8배 이상 무거운 별에서는 탄소, 산소, 네온 등의 원소가 순서대로 핵융합 반응을 일으켜 생성된다. 모든 핵융합 반응이 끝나고 마지막 수축 과정이 진행되어 별의 중심이 더 이상 압축을 견딜 수 없게 되면 별은 급격히 팽창하면서 폭발한다. 이러한 별을 초신성이라고 한다. 초신성 폭발로 그 동안 별의 내부에서 만들어진 모든 원소가 우주 공간으로 방출되며, 이때 발생한 고온과 중력파로 금이나 납과 같은 무거운 원소가 새롭게 생성된다. 초신성의 폭발로 우주 공간에서 새롭게 생성된 원소들은 기존의 먼지 티끌이나 기체와 섞이면서 성운이 되고, 다시 새로운 별과 행성을 만드는 데 이용된다. 태양과 지구도 이렇게 풍부해진 원소들로 이루어진 성간운으로부터 형성된 것이다. 질량이 매우 큰 별은 폭발 이후에도 중심핵은 붕괴를 계속하여 중성자별이나 블랙홀이 된다. 중성자별은 구성 물질이 모두 중성자로 이루어진 별이며, 블랙홀은 중력이 너무 커서 빛을 비롯하여 모든 것을 빨아들이는 천체이다. 우주 공간에 존재하는 원소 중수소와 헬륨은 우주가 탄생 될 때부터 존재하였다. 그러나 생명체 구성에 필수적인 탄소, 산소, 질소와 같은 원소는 별이 진화하고 소멸하는 과정에서 새롭게 생성되었다. 따라서 우주 공간에 별이 없었다면 지금과 같은 다양한 원소들이 존재할 수 없었을 것이며, 원소들이 존재하지 않았다면 생명체의 탄생도 불가능했다.