들어가는말
1604년 10월, 하늘에 갑자기 손님별이 나타났다. 선조실록에 기록된 이 객성(客星)의 이름은 SN1604¹다. 독일의 천문학자 케플러도 이 별을 발견했고 이후 이 별은 ‘케플러 초신성’으로 불린다.

과거 사람들은 하늘에 갑자기 등장한 초신성을 보며 새로운 별이 태어났다고 생각했다. ‘Supernova(초신성)’에 붙은 ‘nova’도 라틴어로 새롭다는 의미다. 사실 초신성은 태어난 별이 아니라 죽음에 가까운 별이다. 사람이 흙에서 태어나 흙으로 돌아가듯, 별은 먼지에서 태어나 먼지로 돌아간다. 탄생부터 최후까지 별의 삶을 들여다보자.

우주 속 요람에서 별의 청년기까지
광활한 우주에서 제각기 빛을 내는 별의 시작은 작고 미약한 먼지다. 우주에도 어머니의 태와 같은 별들의 요람이 있다. 먼지와 가스가 구름처럼 모여 있는 성운(星雲)이다. 별들은 보통 이곳에서 비슷한 시기에 무리 지어 태어나 성단(星團)을 이룬다. 한 부모에게서 난 자녀들이 닮은 구석이 있는 것처럼 같은 성단의 별들은 비슷한 성질을 갖는다.

별의 주재료는 성운 속 수소와 헬륨이다. 이러한 기체와 먼지가 뭉쳐서 중력의 작용이 커질수록 더 많은 재료가 모인다. 눈을 뭉치면 작고 단단한 공 모양이 되듯 별은 수축하며 둥근 모양을 갖춘다. 물질이 별 중심으로 뭉쳐지면서 중력에너지가 열에너지로 바뀌어 별의 내부 온도가 차츰 올라가고 1000켈빈²에 이르면 약한 빛이 나기 시작한다. 아기별이라 불리는 원시별이 탄생한 것이다.

그렇다면 이 아기별은 언제, 어떻게 독립적인 존재가 될까? 내부의 온도가 계속 높아져서 천만 켈빈이 되면 수소 핵융합 반응이라는 중요한 공정이 시작된다. 별의 중심에서 수소 원자 4개가 더 무거운 헬륨 원자 1개로 융합하면서 에너지를 내는 과정이다. 이때 만들어진 에너지는 우주 공간으로 날아가며 빛을 낸다. 드디어 독립적으로 빛나는 별이 된 것이다. 생(生)의 황금기, 청년기를 맞은 이 단계의 별을 ‘주계열성’이라 한다.

주계열성은 빛을 내는 동시에 자신의 전성기를 유지하려 한다. 사람이 사는 내내 지구중심으로 향하는 중력의 영향을 받듯, 별에도 항상 내부로 수축하려는 중력이 작용한다. 반대로 중심부에서는 핵융합 반응으로 고온, 고압 상태가 되어 바깥으로 팽창하려 한다.

이 힘을 가스압이라 하는데, 가스압이 중력과 평형을 이루면서 별의 몸이 커지거나 줄어들지 않고 그대로 유지된다. 별은 이 과정을 통해 삶의 90퍼센트를 주계열성으로 산다. 100년을 사는 사람이 90년 동안 청년으로 사는 것과 마찬가지다. 지구에서 가장 가까운 별인 태양이 현재 주계열성 단계로, 50억 년 동안 전성기를 누렸지만 앞으로 50억 년간 더 빛날 예정이다.

작은 별, 가늘고 길게
학창시절 비슷한 환경 속에서 자라는 학생들은 청년기를 기점으로 저마다 다른 길을 걷는다. 별들도 주계열성 단계를 지나면 각기 다른 진화과정을 겪고 삶을 마감한다. 별이 핵융합의 재료를 다 써버리면 더 이상 빛을 내지 못하고 중력과 가스압의 균형이 깨어진다. 말년을 준비할 때가 온 것이다.

별의 삶과 죽음은 질량으로 결정된다. 별의 질량에 따라 표면 온도, 밝기, 수명 등 많은 것이 달라진다. 태어날 때부터 별과 별의 운명이 서로 다른 것이다. 결론부터 말하자면 덩치가 큰 별일수록 굵고 짧게, 작은 별일수록 가늘고 길게 산다. 질량이 클수록 짧은 시간에 엄청난 에너지를 발산하며 금방 진화하기 때문이다. 그래서 질량이 작은 별은 주계열성 상태로 길게는 수조 년까지 살지만 큰 별들은 수백만 년밖에 살지 못한다.

가벼운 별은 중심부의 수소를 다 헬륨으로 바꾸면 청장년기가 끝난다. 사람이 나이가 들면 살이 처지고 몸이 붇는 것처럼 별도 신체 변화가 생긴다. 별의 중심에서 핵융합 반응이 끝나면 바깥으로 팽창하려는 힘은 사라지고 중력만 남아서 약 100억 년 동안 멈췄던 수축을 다시 진행한다. 이때 방출되는 열로 바깥에 있는 수소가 핵융합 반응을 일으켜 별이 엄청나게 팽창한다. 별은 거대해지면서 색이 붉게 변해, 적색거성이 된다.

적색거성 이후 별의 중심부는 계속 수축하고 외곽부의 대기는 중력의 영향에서 멀어져 중심과 분리된 구름 모양이 된다. 이 단계를 행성상 성운이라 하는데, 별의 일생 중 차지하는 기간은 다른 단계에 비해 아주 짧은 십만 년 이내다. 행성상 성운이 마치 별의 마지막 한숨처럼 보이는 것은 이 때문일지도 모르겠다.

중심에서 분리된 성운이 사라지면 중심부만 뼈처럼 남는 백색왜성이 된다. 태양이 이 단계에 이르면 크기가 지구만큼 작아진다. 에너지원이 없는 백색왜성은 서서히 식고 우주 속으로 모습을 감춘다.

큰 별, 굵고 짧게
무거운 별의 노년기는 어떨까. 태양의 열 배쯤 되는 질량을 가진 별은 보통 천만 년 정도의 짧은 청년기를 살다가 적색초거성이 된다.

주계열성 시기가 지나면 별 중심에서는 헬륨이 탄소로 바뀌는 헬륨 핵융합 반응이 일어난다. 가장 안정된 원소인 철이 만들어지기까지 단계별로 핵융합이 일어나서 양파처럼 층을 이룬다. 중심부가 모두 철로 바뀌고 나면 핵융합 반응이 멈춘다.

이제 빛을 낼 재료를 다 소진해버린 별은 죽기 전 일생에 유일무이한 현상을 일으킨다. 철로 된 핵의 중력으로 인해 별은 순식간에 대붕괴가 일어나고 아주 뜨거워진다. 이때 빠른 속도로 금, 은, 우라늄과 같은 무거운 원소들이 만들어지고 거대한 별이 한순간 대폭발을 일으킨다. 이것이 앞서 언급한 초신성 폭발이다. 핵을 제외한 모든 물질이 폭발로 인해 엄청난 빛을 내며 용수철 튕기듯 우주 공간으로 날아가버린다. 그 밝기는 작은 은하 하나와 비슷하며, 강한 폭발로 인해 물질들이 우주 공간으로 흩뿌려지는 속도는 초당 10000㎞ 정도로 엄청나다. 금, 은과 같은 무거운 원소들은 초신성 폭발로만 만들어질 수 있다.

별이 일생을 다하고 남긴 잔해 중 비교적 가벼운 물질은 계속 수축해 중성자별이 된다. 크기는 작지만, 밀도가 매우 높고 강한 자기장을 내뿜으며 빠른 속도로 회전한다. 훨씬 무거운 잔해는 끝없이 수축해 빛조차도 빠져나올 수 없는 블랙홀이 된다.

별의 죽음과 우리의 시작
별은 우주를 아름답게 수놓을 뿐 아니라 세상에 존재하는 원소들을 만들어 낸 원소의 고향이다. DNA의 뼈대가 되는 원소 인(P)은 우주의 시작에는 존재하지 않았으며, 그동안 인의 기원을 찾을 수 없었다. 2013년 서울대학교 물리천문학부 교수진이 초신성의 잔해에서 다량의 인 원소를 발견함으로 별의 죽음을 통한 인의 기원을 밝혀냈다. 생명체와 지구를 구성하고 인류의 눈부신 발전을 이루어 낸 물질들은 모두 이름 모를 별의 일부였다.

사람은 태어나 죽으면 흙으로 돌아간다. 새로운 생명의 자양분이 되고 또 다른 생명이 탄생한다. 별은 먼지에서 태어나 아름답게 빛내며 살다가 엄숙하게 생을 마감해 다시 먼지로 돌아간다. 행성상 성운으로, 초신성 폭발로 우주 공간에 흩뿌려진 물질들은 다시 성운이 된다. 별의 무덤으로 이루어진 성운이 또 다른 별의 요람이 되는 것이다. 수소와 헬륨이 가득했던 우주는 별이 태어나고 죽는 과정을 통해 다양한 물질과 생명체들을 만들어냈다. 인간의 몸속 세포가 죽고 새로 생성되는 것처럼, 날마다 새로운 우주가 된다.

고전 15장 41절 “해의 영광도 다르며 달의 영광도 다르며 별의 영광도 다른데 별과 별의 영광이 다르도다”

욥 38장 4~7절 “내가 땅의 기초를 놓을 때에 네가 어디 있었느냐 … 그때에 새벽별들이 함께 노래하며 하나님의 아들들이 다 기쁘게 소리하였었느니라”

단 12장 3절 “지혜 있는 자는 궁창의 빛과 같이 빛날 것이요 많은 사람을 옳은 데로 돌아오게 한자는 별과 같이 영원토록 비취리라”

1. SN1604: SN은 ‘초신성(Supernova)’의 약자이고 숫자는 발견 연도다. ‘SN1604’는 1604년에 관측된 초신성이라는 뜻.
2. 절대온도(K, 켈빈): 물질의 특이성에 의존하지 않고 눈금을 정의한 온도. 0K는 섭씨 -273.15도, 섭씨 0도는 273.15K이다.

[참고]
김서형, 『김서형의 빅히스토리 Fe연대기』, 동아시아, 2017.
이광식, 『천문학 콘서트』, 더숲, 2011.