성간 물질과 성운

우리은하의 별 사이 공간에는 평균적으로 1 cm³에 수소 원자가 1개 정도 있다. 실험실에서 만드는 가장 좋은 진공보다도 묽다. 그러나 이 기체와 티끌을 모두 더하면 우리은하 별 질량의 10~15 %나 된다. 이 물질은 고르게 퍼져 있지 않고, 온도와 밀도가 수백만 배씩 다른 여러 층으로 나뉘어 있다.

1성간 티끌은 어디에 있나

성간 티끌은 크기 0.01~0.3 µm인 규산염과 탄소 알갱이로, 질량은 성간 기체의 약 1 %이다. 파장이 짧은 빛일수록 더 잘 흡수·산란하므로 별빛을 어둡게 하고(소광) 붉게 만든다(적색화). 색초과 E(B−V)와 소광량은 대체로 A_V ≈ 3.1 E(B−V)의 관계를 따르고, 기체 기둥 밀도와도 비례한다(N_H ≈ 5.8×10²¹ cm⁻² × E(B−V)). 여러 별의 거리와 색초과를 함께 재면 티끌이 은하면을 따라 두께 수백 pc의 얇은 층에 몰려 있고, 은하면 방향으로는 1 kpc당 평균 약 1.8등급씩 어두워진다는 것을 알 수 있다. 그래서 은하면 쪽으로는 가시광선으로 수 kpc 너머를 보기 어렵고, 은하 중심(약 8 kpc)은 적외선이나 전파로 관측한다.

2성간 기체의 여러 상

값은 자릿수를 보는 대표값이다(Draine 2011, Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium, 표 1.3을 반올림). 부피 비율은 연구마다 차이가 크다.

표에서 온도와 밀도의 곱 nT는 대부분의 상에서 10³~10⁴ K cm⁻³ 정도로 비슷하다. 압력(P = nkT)이 대체로 같아, 뜨겁고 묽은 기체와 차갑고 조밀한 기체가 나란히 공존할 수 있다. 부피의 대부분은 묽고 뜨거운 기체가 차지하지만, 질량의 대부분은 부피가 아주 작은 차가운 구름과 분자운에 있다. 거대 분자운(10⁴~10⁶ M_☉) 안에는 더 조밀한 덩어리가, 그 안에는 다시 더 조밀한 핵이 들어 있는 겹겹의 구조가 있고, 별은 가장 안쪽의 조밀한 핵에서 태어난다. 분자운만 예외적으로 자체 중력으로 묶여 있어 주변보다 압력이 높다.

3성운은 무엇이 빛나느냐에 따라 나뉜다

4분자운은 언제 무너져 별이 될까, 진스 질량

구름이 스스로 무너지려면 중력 위치 에너지가 기체 입자의 열운동 에너지를 이겨야 한다. 두 에너지가 같아지는 질량을 진스 질량이라 한다.

M_J ≈ (5kT / Gμm_H)^3/2 (3 / 4πρ)^1/2 ∝ T^3/2 n^−1/2

온도 10 K, 수소 분자 밀도 10⁴ cm⁻³인 분자운 핵에서는 M_J가 약 5 M_☉이다. 이보다 무거운 덩어리는 무너지기 시작하고, 자유 낙하 시간 t_ff = (3π / 32Gρ)^1/2 ≈ 30만 년 정도에 걸쳐 원시별이 된다. 반면 5000 K, 0.6 cm⁻³인 따뜻한 중성 매질에서는 M_J가 10⁷ M_☉을 넘어 사실상 무너지지 않는다. 별이 차갑고 조밀한 분자운에서만 태어나는 이유이다. 무너지는 동안 밀도가 커지면 M_J가 작아지므로, 큰 구름은 여러 조각으로 쪼개져 별들이 성단으로 함께 태어난다.

5물질은 별과 성간 공간을 돈다

무거운 별은 수백만 년 만에 초신성으로 터져 핵융합 산물을 흩뿌리고, 그 충격파는 주변 분자운을 눌러 새 별의 탄생을 앞당기기도 한다. 가벼운 별은 수십억 년 뒤 적색 거성의 항성풍과 행성상 성운으로 탄소와 질소, s 과정 원소를 돌려준다. 약 46억 년 전 태양계를 만든 구름에는 이미 여러 세대의 별이 만든 무거운 원소가 질량의 약 1~2 % 섞여 있었다.

판단“성운은 별이 태어나는 곳”이라고만 기억하면 반만 맞다. 별이 태어나는 곳은 차갑고 어두운 분자운이고, 빛나는 발광 성운은 이미 태어난 무거운 별이 주변 기체를 전리해 만든 결과이다. 행성상 성운과 초신성 잔해는 오히려 별이 죽어 가며 만든 성운이다. 또 ‘성간 공간은 비어 있다’는 말도 정확하지 않다. 밀도는 아주 낮지만 부피가 커서 은하 전체로는 큰 질량을 가진다.