수평가지별과 점근선가지별

수평가지별 (honizontal branch star)

- 트리플 알파 반응을 통해 탄소와 산소를 생성하는 별의 단계 -

HR 도표상에서 보면, 수평가지별은 적색거성으로부터 수평으로 진화를 합니다. 그래서 수평가지별이라는 이름이 붙었습니다. 헬륨 섬광이 끝나면, 별의 핵에서는 트리플 알파 반응이 안정적으로 지속이 되며, 겉껍질에서는 pp반응이 지속되게 됩니다. 이 단계를 수평가지별이라고 하며, 0.5~1Mo 질량의 비교적 가벼운 주계열별만이 헬륨 섬광의 도움을 받아 수평가지별의 단계에 도달합니다.

수평가지별의 단계에서 겉껍질을 형성하고 있는 수소가 충분하면, 다음 단계인 점근선가지 별의 단계에까지 겉껍질이 남아 헬륨 껍질 섬광을 일으킵니다. 하지만 겉껍질의 수소가 충분하지 못하면 수평가지별의 단계도 미처 끝나기도 전에 수소층은 고갈되고, 헬륨을 융합하는 핵만 남게 됩니다. 그래서 이 단계를 거성의 단계라고 분류하지는 않습니다.

트리플 알파 반응은 헬륨 세 개를 융합해서 탄소를 생성해내는 열핵융합 반응입니다. 트리플 알파 반응의 중간에 발생하는 베릴륨(Be: Berylium)은 그냥 놔두면 에너지의 방출 없이 두 개의 헬륨 원소로 붕괴하고 마는 불안정한 원소입니다.핵에서 생성된 탄소 원소들에 의해 핵의 중심부에서의 압력과 온도가 높아지게 되고, 새로운 열핵융합 반응이 동시에 진행되면서 탄소를 헬륨과 융합시켜 산소를 합성합니다.

헬륨이 고갈되어 감에 따라 합 반응이 점차로 약해지면서 마침내는 모든 핵융합 반응이 다시 중단되고 맙니다. 정수 균형이 또 다시 깨어지는 순간입니다. 준평형 상태라는 의미를 다시금 느낄 수 있습니다.

따라서 탄소와 산소의 핵이 중력붕괴하면서 축퇴의 상태에 접어들게 됩니다. 또한 핵 주위를 둘러 싸고 있던 헬륨이 수축한 핵 표면 위로 떨어져 내리며 압축이 되고, 트리플 알파 반응이 재발되면서 헬륨층이 팽창을 합니다. 수평가지별의 단계에서 점근선가지별의 단계로 전환되는 시기입니다. 수소가 고갈되어 가던 주계열별의 반응과 비슷한 과정이 다시 일어나는 셈입니다.

 

 

점근선가지별(AGB : Asymptotic Giant Branch star)

헬륨 겉껍질이 생성되며, 핵에서는 산소를 융합하는 단계 -

이 단계의 별의 핵에는 수평가지별에서 합성이 된 탄소와 산소만이 비활성으로 남게 되며, 핵의 바로 겉에 위치한 껍질에서는 여전히 헬륨의 핵융합으로 인해 계속해서 탄소가 생성됩니다. 시간이 경과하면서 헬륨이 거의 고갈될 무렵에, 약해진 중력을 밀어내고, 핵의 겉에 있던 헬륨층의 겉부분이 팽창하게 되면서, 점근선가지별의 단계에 들어섭니다.

온도가 높아짐에 따라 팽창을 하던 헬륨층이, 팽창함에 따라 식어 버리고, 수축을 함에 따라 온도가 다시 상승하여 팽창하는 순환이 반복되면서, 아예 핵에서 분리됩니다. 점근선가지별의 막바지에서는 헬륨 겉껍질이 빠른 속도로 팽창하면서, 서서히 팽창하던 기존의 수소 겉껍질을 더 바깥쪽으로 불어내게 됩니다. 이렇게 해서 행성성운이 형성됩니다. 그러는 와중에 수소 겉껍질에서 발생한 찌꺼기인 헬륨이 헬륨 겉껍질층에 버려지게 되는데, 버려진 헬륨이 충분히 모이면 폭발이 발생하게 됩니다. 이것이 점근선가지별의 특징인 헬륨껍질 섬광입니다. 이 섬광으로 인해 갑작스럽게 온도가 증가하면서 팽창과 수축을 반복하는 열맥동도 발생합니다. 헬륨 껍질 섬광으로 인해 생성된 탄소는 핵의 질량을 높이게 되고, 따라서 아주 서서히 별 자체의 밝기를 증가시키는 역할을 하게 됩니다.

한편 점근선가지별의 핵과 별의 겉껍질 사이를 오고 가는 대류현상이 발생합니다. 핵에서 생성된 탄소 먼지들이 대류에 떠밀려 핵의 바깥으로 배출되면서, 겉껍질에서 이는 별바람에 실려 우주 공간으로 흩어지게 됩니다. 그 과정에서 핵에서 발산되는 가시광선을 차단하게 됩니다. 이런 식으로 배출되는 별의 질량이 매년 10 Mo이나 되기 때문에, 보통 별의 질량이면 10,000년 내에 핵만 빼고 모두 우주 공간으로 사라지고 맙니다. 행성성운을 구성하는 겉껍질 또한 오랜 시간 후에 우주 공간으로 흩어지게 됩니다.