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   Ⅵ별의 구조와 진화
  별 구조의 기본적인 원리는 정역학적 평형, 이상 기체 상태 방정식, 에너지 전달 방식, 그리고 중심에서의 핵융합 반응을 통해 이해되며, 이러한 물리적인 서술을 통해 별의 구조와 진화를 이론적으로 설명할 수 있다. 별을 이루는 구성 원소의 대부분은 수소와 헬륨인데 중심에서의 핵융합 반응으로 인해 화학 조성 성분의 변화가 나타나며, 화학 조성 성분의 변화가 별 진화를 이해하는 핵심이다. 모든 별들은 동일한 단계를 거쳐 진화하게 되는데, 각각의 세부적인 진화 단계는 별의 질량에 따라 다르게 나타나며, 이러한 별의 진화를 통해 시간에 따라 별의 광도와 온도가 어떻게 변하는가를 이해할 수 있다..
 
별 진화의 단계
  별은 원시성, 전주계열, 주계열, 후주계열이라는 동일한 진화 단계를 거친다. 별은 가스와 먼지로 이루어진 구름으로부터 만들어지게 되는데, 구름의 중력적인 수축으로 인하여 중심에서의 온도가 핵융합 반응을 일으킬 정도까지 높아지게 되면 하나의 별이 탄생하게 되는 것이다. 이러한 별이 탄생하기 직전까지의 별을 원시성이라고 한다. 원시성과 별이 탄생되어 핵융합을 하기 바로 직전 상태 사이의 단계를 전주계열이라고 하고, 별이 정역학적 평형 상태에 이르러 중심에서 핵융합이 일어나는 동안의 단계를 주계열이라고 하며, 대부분의 별은 일생의 대부분을 이 주계열 상에서 보내게 된다. 이 때, 별의 질량에 따라 중심에서 일어나는 핵융합 반응이 달라지며 주계열 이후의 진화 단계도 판이하게 달라지게 된다.
 
질량이 작은 별의 진화
  태양 정도의 질량을 가지고 있는 별의 주계열 단계에선 중심부에서 수소가 헬륨으로 변하는 핵융합 반응이 일어나게 된다. 수소가 헬륨으로 변하게 됨에 따라 화학 조성 성분이 달라지게 되며, 그에 따라 별의 구조도 변하게 된다. 중심에서의 수소가 고갈되면 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않게 되며, 별은 수축하게 된다. 별이 수축함에 따라 중심부가 아닌 중심부 외곽의 껍질층에서의 수소에서 핵융합 반응이 일어나게 되어, 중심부는 수축하고 외곽부는 팽창하는 단계에 이르게 된다. 이 때 별의 표면 근처에서는 대류가 발생하게 된다. 이러한 단계를 적색거성 단계라 한다. 적색거성 단계의 중심에서의 밀도는 대단히 높아 전자들이 축퇴된 상태로 존재하는데, 중심에서의 온도가 일정 온도 이상 다다르면 헬륨 핵 융합 반응이 일어나며 축퇴된 전자들로 인해 핵융합 반응이 폭발적으로 일어나게 된다. 이를 헬륨 섬광이라고 부른다. 헬륨 섬광에 의해 중심에서의 온도가 일정 수준 이상 다다르게 되면 전자들의 축퇴가 풀리면서 중심부가 크게 팽창하게 되어 표면 온도가 크게 감소한다.
 
무거운 별의 진화
  반면, 질량이 태양보다 5배 이상 큰 별들 역시 중심에서 수소가 헴륨으로 변하는 핵융합 반응을 하지만, 이 때에는 탄소가 촉매 역할을 하게 된다. 이 반응은 중심에서 매우 높은 고온의 온도를 필요로 하며, 별의 질량에 의한 중력을 상쇄하기 위하여 더 많은 수소가 핵융합 반응에 참여하게 된다. 이로 인해 중심에서의 핵융합 반응이 일어나는 시간이 태양 정도의 질량을 갖는 별에 비해 훨씬 짧다. 핵융합 반응이 끝나면 중심부가 수축해 들어가며, 이 때 껍질부에서는 수소가 핵융합을 시작하게 된다. 결국 표면에서의 대류층이 점점 발달하게 되어, 별은 적색 거성 단계에 접어들게 된다. 이러한 별들에서는 태양 정도의 질량을 갖는 별들과는 달리 중심에서의 내부온도가 전자가 축퇴되기 전에 충분히 헬륨 핵 융합 반응을 일으킬 정도의 온도에 도달하기 때문에 헬륨 섬광이 일어나지 않는다.
 
별 진화의 최후 단계
  이러한 진화 단계를 거쳐 별은 자신의 일생에 종지부를 찍을 최후를 맞이하게 된다. 별의 최후는 크게 3가지의 형태로 나뉘어지는데, 백색왜성, 중성자별, 그리고 블랙홀이 바로 그것이다. 중심부 질량이 태양의 약 1.4배 이하인 별들은 중심에서의 헬륨 핵융합 반응 이후 다음 단계인 탄소 핵 융합 반응에 필요한 온도에 도달하지 못한 체 중심부는 계속해서 수축해 들어가게 되고 껍질부에서는 계속해서 헬륨 핵 융합 반응이 일어나면서 헬륨을 소비하게 된다. 이 과정에서 별은 맥동 운동을 하게 되며, 껍데기 부븐을 맥동 운동으로 인해 날려버리게 된다. 이 과정을 통해 행성상 성운이 나타나게 되며, 껍데기를 잃은 탄소핵 중심부가 드러나게 되는데 이를 백색왜성이라고 한다.

중심부 질량이 태양의 약 1.4배 이상이고 3배 이하인 별들은 중심부에서 양성자가 전자와 결합하여 중성자가 되는 현상이 나타나며 중성자로만 이루어진 중심부가 만들어지게 된다. 이러한 중성자조차 축퇴되면서 갑작스런 별의 구조가 붕괴됨에 따라 별의 외곽부가 중심과 충돌하여 격렬하게 폭발하게 되는데 이것이 바로 초신성이다. 이러한 폭발 후 존재하는 중성자로만 이루어진 중심부를 중성자별이라고 한다. 반면 중심부 질량이 태양의 3배 이상인 별들은 강력한 중력으로 인해 중심부의 부피가 계속해서 감소하게 되어 최종적으로 중심부에서 블랙홀이 만들어지게 된다.
 
문제
  1. 별이 진화하는 근본적인 이유에 대해 설명하시오.
2. 질량이 큰 별이 질량이 작은 별보다 진화 속도가 빠른 이유를 설명하시오.
3. 우리가 보고 있는 태양은 현재 중심에서 수소가 헬륨으로 변환되는 과정에 있다. 이러한 핵융합 반응이 끝나면 중심부는 수축하고 외곽부는 팽창하게 될 것이다. 그 이유에 대하여 설명하시오.
4. 질량이 큰 별들에서는 태양과 비슷한 질량의 별에서 나타나는 헬륨 섬광 현상이 나타나지 않는다. 그 이유를 설명하시오.
5. 목성은 지구의 약 320배의 질량을 가지고 있다. 목성이 태양과 같은 별이 되지 못한 이유를 설명하시오.
6. 적색 거성 단계에 있는 별들이 중심부에서 핵융합 반응이 일어나지 않음에도 불구하고 주계열에 있는 별들보다 광도가 훨씬 큰 이유를 설명하시오.
7. 두 별 A, B가 있다. A를 구성하는 가스의 평균분자량이 B의 평균 분자량보다 크다면 A의 표면온도와 광도는 B에 비하여 어떻겠는가. 그 이유는 무엇인가. 이상기체 상태 방정식을 이용하여 설명하시오.
8. 주계열 상에 위치하고 있는 태양 질량 정도의 별 중심에서 수소 핵융합 반응이 일어나고 있다. 이러한 핵융합 반응이 일어날수록 주계열 상에서의 별의 반지름은 어떻게 변할지 이상기체 상태 방정식을 이용하여 설명하시오.
9. 백색왜성에서의 비상대론적으로 축퇴된 물질 내의 압력은 밀도의 5/3제곱에 비례한다. 이를 바탕으로 백색왜성의 반경이 질량의 1/3제곱에 반비례함을 보이시오.
10. 질량이 M인 별과 그 주위를 원궤도로 운동하고 있는 질량 m인 물체가 있다. 질량 m인 물체가 이 별로부터 이탈하기 위한 속도식을 구하시오. 또한 이를 바탕으로 블랙홀에서의 슈바르츠실트 반지름의 의미를 설명하시오.
태양질량을 40km/s의 속도로 움직이게 만드는 행성상 성운의 운동에너지를 구하시오.