연구대상으로 나눈 천문학의 세부분야(2)

개미성운의 중심부에서 죽어가고 있는 별에서 분출하는 가스의 좌우 대칭 구조

3. 항성 천문학
우주를 연구하는 데 있어 항성과 항성의 진화 과정을 파악하는 것은 매우 중요한 일입니다. 천체 물리학은 관측과 이론, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 항성 연구에 이바지해왔습니다.
항성의 탄생은 거대 분자 구름으로 알려진 먼지와 가스의 밀도가 높은 곳에서부터 발생합니다. 거대 분자 구름이 불안정해질 때, 분자 구름이 중력으로 인해 분해되면서 여러 조각으로 나뉘게 되며 이때의 조각들은 원시별을 형성하게 됩니다. 중심핵 부분의 밀도가 높고 고온이 형성되면 핵융합 작용이 발생하게 되며 주계열성이 만들어지게 됩니다. 천문학에서는 수소와 헬륨 리튬보다 무거운 원소들을 중원소라고 규정하는데 일반적으로 중원소들은 항성의 내부에서 만들어졌습니다.
항성의 진화 과정과 진화 속도는 일반적으로 별의 질량에 의해 결정됩니다. 별의 질량이 크면 중심핵에서 수소를 빨리 태우게 되며 더욱 밝아집니다. 시간이 지남에 따라 별이 소유하고 있는 수소가 헬륨으로 모두 변화하고 항성은 진화하기 시작합니다. 중심핵의 온도가 더 뜨거워져야 헬륨 원소의 융합이 발생하기 때문에 항성 내부의 중심핵 밀도와 부피는 더욱 증가하게 됩니다. 부피가 커진 항성은 헬륨을 전부 소모할 때까지의 기간에 적색 거성의 단계로 진입하며 질량이 큰 별들은 헬륨보다 무거운 원소들을 태우는 진화 단계가 추가로 진행되기도 합니다.
항성의 마지막 역시 별의 나머지 질량에 의해 결정됩니다. 태양의 크기 정도의 질량을 갖는 별은 중심부에 백색왜성을 남기고 질량을 행성상 성운의 형태로 방출시킵니다. 주계열 시절 태양의 8배 이상의 중력을 갖고 있었던 별들의 경우 초신성의 형태로 중심핵이 붕괴하며 생을 마감하게 됩니다. 초신성의 폭발 후 중심의 잔류 물질은 중성자별이 되거나 폭발 후의 질량이 태양의 3배가 넘는 경우 블랙홀이 됩니다. 서로 근접하게 붙어 있는 쌍성의 경우 주성에서 방출하는 물질이 반성인 백색 왜성으로 유입되면서 신성 폭발이 일어나며 복잡한 진화 과정을 거치게 됩니다. 행성상 성운 및 초신성은 성간 공간에 중원소를 퍼뜨리는 역할을 하며 새롭게 생성되는 별, 행성들이 수소와 헬륨으로만 이루어지지 않도록 생명체가 살 수 있는 원소를 제공하는 역할도 합니다.

4. 우리은하 천문학
우리가 사는 지구가 포함된 태양계는 국부 은하군에 속해 있는 막대 나선 형태의 은하인 우리은하에 속해 있으며 은하의 중심을 공전하고 있습니다. 중력으로 묶인 가스와 먼지, 별, 암흑물질 등이 우리은하를 구성하고 있으며 중심을 축으로 회전하고 있습니다. 우리의 태양계는 성간 먼지가 포함된 나선팔의 바깥쪽에 존재하고 있어 성간 먼지로 인해 지구에서 관측할 수 있는 우리은하는 제한적이라고 알려져 있습니다.
우리은하의 중심부에는 팽대부가 존재하며 팽대부는 막대 모양으로 형성되어 있습니다. 은하의 중심에는 블랙홀이 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 은하의 중심부에서 바깥쪽으로 뻗어가는 네 개의 나선팔이 존재하며 나선팔은 금속의 함유량이 많고 상대적으로 젊은 항성과 별들이 생성되고 있습니다. 은하 원반을 구 형태의 은하 헤일로가 둘러싸고 있으며 은하 헤일로에는 상대적으로 나이 든 항성, 별들과 별들의 집약체인 구상성단이 여기에 분포하고 있습니다.
별들 사이에는 성간 물질이 분포하고 있는데 주로 가스와 먼지 등으로 구성되어 있습니다. 성간 물질의 밀도가 높은 곳에서 수소 분자와 다른 원소들이 결합하여 분자 구름을 생성하고 만들어진 분자 구름 사이에서 별들이 탄생하게 됩니다. 별들의 생성은 분자 구름이 집약된 형태인 암흑 성운으로 시작하며 압축되고 붕괴하여 원시별이 됩니다.
빛을 방출하는 가스와 플라스마로 이루어진 공간에서 질량이 큰 별들이 탄생하고 무거운 별들은 진화 끝에 강한 항성풍을 동반한 초신성의 폭발로 생을 마감하는데 이러한 초신성의 폭발로 인해 주위의 성간 물질이 산개하게 됩니다. 이렇게 산개된 여러 별이 성단을 이루어 산개 성단이 만들어지기도 하는데 산개 성단의 별들은 점차 흩어져서 우리은하의 항성으로 편입됩니다.
은하에 대한 운동학적 연구로 인해 우리은하 및 외부 은하에는 확인된 물질보다 더 많은 질량이 존재하는 것을 파악하게 되었으며 이러한 질량의 대부분은 암흑물질 헤일로가 차지하는 것으로 확인되고 있습니다. 그러나 암흑물질의 본질은 지금까지 명확하게 규명되지 않았습니다.