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우리 별의 젊은 시절 되돌아보기

우리의 태양은 어떻게 별이 되었나
엑스레이는 태양과 같은 별의 젊음 단계에서 예상치 못한 변화를 보여준다.

우리 별의 젊은 시절 되돌아보기:
천문학자들은 태양과 같은 별이 초기에 어떻게 발달하는지 연구했으며 그 과정에서 놀라운 사실을 발견했다. 젊은 별들이 예상보다 오랫동안 강렬한 X선을 방출하고 있기 때문이다. 약 700만 년이 지난 후에야 이 하드 방사선의 강도가 크게 떨어진다. 그러나 그것은 우리 태양계의 원형 행성 디스크와 어린 행성들도 더 많은 방사선을 받았다는 것을 의미한다. 

▲ 어린 태양이 핵융합 발화하기 전의 강한 X선과 자외선 복사선은 얼마나 강렬했을까? © ESO/L. Calçada, CC-by 4.0

대부분의 다른 별과 마찬가지로 우리의 태양은 조밀한 형제자매 성단에서 자랐다. 한때는 쌍성계의 일부였을 수도 있다. 100만 년도 채 안 되는 시간에 항성 요람의 고밀도 가스에서 우선 별이 될 핵에서 원시성으로 진화할 수 있었다. 주변에서 대부분의 질량을 끌어당긴 후 성장하는 태양은 전주계열성(pre-mainsequence star:주계열성에 도달하기 직전의 진화상태로서 원시성과 수소핵융합반응이 막 시작하는 주계열성의 사이에 진화 단계에 속하는 별)이 되었다. 젊은 별은 수축하면서 더 뜨거워지고 밀도가 높아졌다. 이 압축은 핵융합이 점화될 때까지 계속되었으며, 별의 배아가 새로운 별이 되었다.

별의 전주계열 단계에서는 어떤 일이 발생할까?

핵융합 점화 이전에 정확히 무슨 일이 벌어지고 있는지는 지금까지 밝혀지지 않았다. 펜실베니아 주립 대학의 Konstantin Getman과 그의 동료들은 "특히 후반의 예비 주계열 단계는 비교적 적은 수의 그러한 별을 찾기가 어렵기 때문에 상대적으로 거의 연구되지 않았다"고 설명했다. 특히 그러한 별에서 자기장과 방사선이 어떻게 발달하는지, 그리고 이것이 이미 존재하는 원형 행성 원반과 가능한 원형 행성에 어떤 영향을 미치는지는 불분명하다.

현재까지 이러한 예비 주계열성 별에 대한 가장 포괄적인 분석은 항성 진화의 이 중요한 단계에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. Getman과 그의 팀은 찬드라 X선 망원경과 가이아 위성의 데이터를 평가해 700만 년에서 2500만 년 사이에 태양과 유사한 별 6천 개를 찾았다. 무게가 0.75에서 3.5 태양질량 사이인 별들은 후기 전주계열 단계에 있다. 천문학자들은 데이터를 500만 년 미만의 별에 대한 이전 조사와 결합했다.

강렬한 방사선이 더 오래 지속된다.

분석 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. 이전에 가정했던 것과는 달리 주계열성 이전의 별에서 나오는 강한 X선 복사는 꾸준히 감소하지 않고 수백만 년 동안 극도로 높게 유지된다. 이 시간 동안 무게가 0.75:1 태양 질량인 젊은 별은 천문학자들이 결정한 대로 초당 10^31Erg(에르그)의 엄청난 에너지를 X선과 극자외선으로 방출한다. 그것은 오늘날의 태양이 방출하는 것보다 천 배나 더 많다.

▲ 약 1,100만 년 된 성단 NGC 3293에는 많은 젊은 별들이 전주계열 단계에 있다. © NASA/CXC/Penn State Univ./K. Getman et al.; Infrared: ESA/NASA JPL-Caltech/Herschel Space Observatory/JPL/IPAC; NASA JPL-Caltech/SSC/Spitzer Space Telescope; Optical: MPG/ESO/G. Beccari

500만 년-700만 년 사이에야 변화가 명백해진다. 이전에 생각했던 것보다 훨씬 늦게. 천문학자들은 "별이 후기 전주계열 단계에 진입함에 따라 별이 핵융합 점화에 가까워짐에 따라 평균 X선 광도가 급격히 떨어진다"고 보고했다.

연구자들은 이 변화를 별 내부의 근본적인 구조 조정으로 설명한다. 프로토스타에서 플라즈마 순환 대류는 여전히 전체 내부를 통해 확장된다. 그러나 나이가 들어감에 따라 대류 영역은 줄어들고 별의 외부 영역만 포함한다. 이것은 차례로 태양 발전기와 자기장의 물리학을 변경하여 표면에서 방출되는 단단한 방사선을 줄인다.

초기 태양계에 대한 결과

우리 태양은 또한 생성 후 불과 500만 년에서 700만 년 만에 치명적인 집중 X선과 극한의 자외선 복사를 점차 감소시킬 수 있었다. "이것은 원시 행성과 젊은 행성의 기본 대기의 진화에 중요한 의미를 가져야 한다"고 천문학자들은 말했다. 초기 전주계열 단계에서 태양의 강한 항성풍이 결합되지 않은 모든 가스를 원시 구름에서 우주로 날려버렸기 때문이다. 사실, 연구에 따르면 태양계의 원시 가스는 약 400만 년 후에 거의 사라졌다.

그러나 원시 가스의 손실과 함께 개발 중인 행성은 가스 껍질의 추가 성장을 위한 원료를 잃는다. 결과적으로 가스 행성의 성장이 멈추고 지구형 행성은 더 이상 대기를 증가시킬 수 없다. 동시에 강력한 항성풍이 젊은 행성 주변에 이미 형성된 대기를 침식하고 있다. 별과의 거리와 질량에 따라 가스 봉투의 일부 또는 전부를 다시 잃을 수 있다. 이온화되어 우주로 찢어진다.

지구는 기본 대기를 잃었다.

이것이 어린 지구에게 무엇을 의미했는가? 연구원들이 판단한 바와 같이 젊은 지구는 어린 태양이 형성된 후 약 200만 년 후에 수소와 소량의 헬륨 및 메탄의 원시 대기 전체를 ​​잃어버렸음에 틀림없다. "그러나 지구와 같은 행성이 충분히 거대하다면 그 맨틀 대류는 2차 대기를 형성하기에 충분한 화산 및 구조적 가스 방출과 함께 지각의 형성으로 이어질 수 있다"고 Getman과 그의 팀은 설명했다.

지구의 경우, 이로 인해 질소, 이산화탄소 및 수증기의 대기가 형성되었다. 그러나 어린 행성이 아주 일찍 이 두 번째 대기를 형성하고 아직 보호 자기장이 없다면 천문학자들이 결정한 대로 찢어지고 침식될 수도 있다. 이것이 지구에서도 마찬가지였는지는 불분명하다.

주계열성 이전의 별들의 환경이 그다지 유쾌한 곳은 아니라는 것은 분명해 보인다. 어린 별에서 핵융합이 발화하고 그 상태가 안정될 때만 원시행성 원반도 정지하고 행성과 그 대기는 더 교란되지 않고 발전할 수 있다.
(Astrophysical Journal, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac7c69)
출처: Chandra X-ray Center

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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