별에 우주선 타고 가서 착륙할 수 있을까?

사물궁이

10개월 ago

* 기존에 다루지 않은 과학 주제들로 사물궁이 도서 3~4권이 출간됐습니다.
- 교보문고 : https://bit.ly/3JD9BJP
- YES24 : https://bit.ly/3JEWrvR

일상에서는 하늘에 떠 있는 천체를 구별 없이 모두 별이라고 부르는 편인데, 천문학에서 정의하는 별은 핵융합반응을 통해 스스로 빛을 내는 항성(star)만을 뜻합니다.

따라서 수성, 금성, 지구 등 항성 주위를 공전하는 행성(planet)이나 달과 같이 행성 주위를 공전하는 위성(moon), 화성과 목성 사이에서 태양 주위를 공전하는 소행성(asteroid)은 별이 아닙니다. 그런데도 이들은 빛나는 이유는 항성인 태양의 빛을 반사하기 때문입니다.

어쨌든 인류는 지구 밖 우주에 있는 행성이나 위성, 소행성 등에 가기 위해 도전하고 있는데, 별에도 갈 수 있을까요?

일단 행성 중 수성이나 금성, 지구, 화성 등의 지구형 행성은 지표면에 암석으로 된 단단한 부분이 있어서 갈 수만 있으면 착륙도 할 수 있습니다.

하지만 목성이나 토성과 같은 거대 가스 행성인 목성형 행성은 딱딱한 지표가 없고, 중심으로 들어갈수록 높은 압력에 의해 수소 가스가 액화되어 있습니다.

더 안쪽의 핵 부분은 단단한 얼음이나 암석으로 되어 있을 것으로 추정하고, 이곳에 착륙하려면 엄청난 속도로 회전하는 두꺼운 대기와 고온·고압의 금속성 수소층을 지나야 하므로 어려움이 있습니다.

천왕성과 해왕성같이 거대 얼음 행성인 천왕성형 행성도 마찬가지인데, 태양과의 거리가 매우 멀어서 단단한 지표 없이 수소, 헬륨, 메탄 등이 슬러시같이 얇게 언 상태로 빠르게 이동하고 있습니다. 고체로 된 단단한 핵이 있기는 해도 내부로 들어가기까지 매우 험난하므로 이곳도 어려움이 있습니다.

그렇다면 위성과 소행성, 혜성 등은 어떨까요? 달과 같은 위성은 단단한 암석 또는 얼음으로 구성된 지각이 있고, 소행성도 암석으로 구성되어 있으므로 갈 수 있다면 가능합니다.

반면 혜성은 물, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등으로 이루어진 핵이 있긴 하나 태양 빛을 받으면 표면이 증발하므로 착륙은 어렵습니다. 즉, 행성과 위성, 소행성 중 착륙이 가능한 곳도 있고, 어려운 곳도 있습니다.

주제의 궁금증인 별은 어떨까요? 스스로 빛을 내는 항성에도 착륙할 수 있을까요? 스스로 빛을 내는 이유부터 설명해야 할 것 같은데, 우리가 관찰하는 대부분의 별은 중심핵에서 수소 핵융합반응이 일어나 에너지를 만들어 내는 주계열성(main sequence star)입니다.

여기서 수소 핵융합반응은 1,000만K 이상 되는 고온의 환경에서 원자핵이 매우 빠른 속도로 충돌하고 융합하여 더 무거운 핵을 형성하면서 에너지를 생성하는 과정을 말합니다.

수소 원자핵 4개가 결합하면 헬륨 원자핵 1개가 만들어지는데, 이때 생성된 헬륨 원자핵 1개의 질량은 수소 원자핵 4개의 총질량보다 약 0.7% 작습니다.

이러한 수소 핵융합반응은 주계열성의 질량에 따라 두 종류로 구분되는데, 질량이 태양 정도인 중심 온도 1,800만K 이하의 별에서는 양성자-양성자 연쇄반응(P-P 연쇄반응)이 우세하게 일어나고, 질량이 태양의 약 1.5배 이상인 내부 온도 1,800만K 이상의 별에서는 탄소·질소·산소 순환반응(CNO 순환반응)이 우세하게 일어납니다.

CNO 순환반응에서는 탄소와 질소, 산소가 반응의 촉매 역할을 하므로 양성자-양성자 연쇄반응보다 수소를 더 빠르게 소비하면서 격렬하게 에너지를 생성합니다. 이렇듯 별의 질량에 따라 에너지를 생성하는 과정이 다르므로 두 별의 내부 구조 역시 다릅니다.

질량이 태양 정도인 별은 중심 부분의 온도 변화가 크지 않으므로 내부에 복사 형태로 에너지를 전달하는 복사층이 있고, 바깥 부분은 상대적으로 온도 변화가 크거나 이온화된 수소층이 존재하므로 대류의 형태로 에너지를 전달하는 대류층이 있습니다.

반면 태양 질량의 1.5배 이상인 별은 CNO 순환반응이 중심부에서 집중적으로 일어나므로 중심부 온도가 매우 높아 그 주변과의 온도 차이가 심합니다. 그래서 내부에서는 대류의 형태로 에너지가 전달되고, 바깥 부분은 온도 변화가 크지 않으므로 복사 형태로 에너지가 전달되는 복사층이 있습니다.

질량이 태양 정도인 별은 수소 핵융합반응이 끝나고 중심에 헬륨으로 된 핵이 생성됩니다. 이 헬륨핵이 수축해 중력 수축 에너지가 발생하면 내부 온도가 상승해 헬륨핵 외곽에서 수소 핵융합반응이 일어나고, 중심부 온도가 계속 상승하면 탄소와 산소로 구성된 핵이 만들어집니다.