별의 내부 구조와 에너지원

핵심 정리

별은 내부 에너지원에서 에너지를 얻어 복사로 방출하고, 자체 중력에 의해 결합된 천체다. 별 내부에서 생성된 에너지는 중심부에서 바깥으로 전달되어 표면에서 모두 방출된다. 방출되는 에너지의 거의 전부는 고온·고밀도의 중심핵에서 만들어지며, 별 외곽부의 에너지 생성률은 무시할 만큼 작다.

별의 에너지원은 수소 핵융합이다. 태양과 같은 G형 주계열성의 중심핵에서는 주로 p-p 반응이 일어나 수소가 헬륨으로 바뀐다. 헬륨은 별 내부의 수소 핵융합으로 만들어지는 대표적인 원소다. 핵융합 과정에서는 질량 결손에 의해 에너지가 방출된다.

질량이 큰 주계열성일수록 중심 온도가 높아 CNO 순환 반응이 우세해진다. CNO 순환 반응에서 탄소는 반응 전후에 소모되지 않고 촉매 역할을 한다.

별 내부에서 에너지가 전달되는 방식은 구간에 따라 다르다. 중심핵 바깥 영역에서는 대류로 에너지가 전달되기도 한다. 태양형 주계열성에서는 복사층이 대류층보다 안쪽에 있다. 태양 중심 바깥쪽의 대류층은 대류로 에너지를 전달하는 구간이다.

자세히

별 내부에서는 전도, 대류, 복사로 에너지가 전달된다. 정상적인 별 내부에서는 전도에 의한 에너지 전달을 거의 무시할 수 있다. 전도는 백색왜성이나 중성자별처럼 밀도가 매우 높은 별에서 효과적이다. 복사로 에너지가 전달될 때는 뜨거운 내부에서 방출된 광자가 바깥의 덜 뜨거운 부분에 흡수되어 그곳의 물질을 데운다. 별 내부에서 에너지가 복사 형태로 전달되는 구간을 복사 영역이라고 한다.

에너지 보존 조건에 따르면, 중심에서 거리 r에 있는 구면을 단위 시간에 통과하는 에너지 총량인 에너지 플럭스는 에너지 생성 영역에서 바깥으로 갈수록 증가하고 그 바깥에서는 일정해진다. 중심핵 바깥에서는 생성되는 에너지가 거의 없기 때문이다. 따라서 에너지는 중심핵에 집중되어 생성되며, 전달 방식은 구간마다 다르다.

에너지 생성원은 별의 질량에 따라 달라진다. 태양 정도 질량인 별은 중심핵에서 주로 p-p 반응으로 에너지를 만들고, 질량이 큰 별에서는 CNO 순환 반응이 우세하다. 태양 중심부의 온도가 약 2000만 K보다 낮으면 p-p 반응의 에너지 생산량이 CNO 순환 반응보다 많다. 질량이 태양보다 큰 주계열성은 태양보다 CNO 순환 반응으로 생성하는 에너지의 비율이 크다.