이석원 기자
우주는 넓고 현대 인류에게 수수께끼로 가득 넘친다. 이런 우주에서 가장 큰 별은 어디일까.
먼저 거대한 만점에 가까운 예로는 태양계에서 가장 큰 행성인 목성을 들 수 있다. 목성 크기는 지구 11배, 무게는 317배다. 목성보다 더 큰 건 갈색 왜성. 갈색 왜성은 목성보다 13배에서 90배 질량을 갖고 있다.
갈색 왜성 다음으로 큰 별은 주계열별(Main Sequence Stars). 수소와 헬륨 등 가스가 일정한 질량 넘게 모인 경우 중심은 연소가 발생할 정도로 고온에 도달한다. 그 결과 중심에서 수소가 헬륨으로 변환되는 핵융합 반응 일종인 양성자-양성자 연쇄 반응이 발생해 엄청난 양 에너지를 방출한다. 주계열별은 질량이 클수록 온도가 높아 강한 빛을 발하는 반면 수명은 짧아진다.
양성자-양성자 연쇄 반응에 의해 중심부 수소가 고갈되면 주계열별은 단번에 수십만 배 크기로 거대화한 뒤 죽음을 맞는다. 이와 함께 별 크기를 비교해도 별은 일생 내내 크기가 변화하기 때문에 어른과 아이를 비교해버릴 수 있다는 걸 염두에 둬야 한다. 주계열별 중에서도 가장 작은 적색왜성은 목성보다 100배 질량을 갖고 있다. 적색왜성은 질량이 작기 때문에 큰 핵융합 반응은 발생하지 않는다. 그러므로 방출하는 빛이 매우 약하고 죽음을 맞을 때까지 한번도 거대화하는 건 아니다.
또 적색왜성 수명은 10조년에 도달해 우주에서 가장 많이 존재하는 항성이기도 하다. 빅뱅에 의해 우주가 탄생한 게 138억년 전으로 계산되는 만큼 10조년은 우주의 나이보다 1,000배다.
주계열별에서 적색왜성 다음으로 큰 건 태양과 같은 별이다. 태양 표면 온도는 6,000도 고온으로 더구나 방출하는 빛은 강하지만 100억 년 정도 수명 밖에 안 된다.
태양보다 큰 별 얘기로 가면 태양을 빼고 지구상에서 보이는 가장 밝은 별인 시리우스A. 시리우스A는 질량이 태양보다 2배, 반경 크기는 태양 1.7배, 태양보다 25배나 밝게 빛난다. 반면 시리즈A 수명은 대폭 낮아져 25억 년 정도다.
하다르(Hadar)는 질량이 태양보다 10배, 크기는 13배, 표면 온도는 2만 5,000도에 이르며 방출하는 빛도 태양보다 2만배에 이른다. 반면 수명은 2,000만 년 정도 밖에 안 된다.
지금까지 발견된 가장 질량이 큰 별은 R136a1이라는 별이다. R136a1은 태양보다 315배에 이르는 질량을 갖고 있으며 밝기는 태양보다 무려 900만 배다. 하지만 질량과 밝기에 비해 크기 차이는 작고 R136a1은 태양보다 30배 정도 크기다. 수명은 수백만 년 정도다. R136a1은 항성풍에 의해 질량이 대량으로 빠져나가 초당 32.1톤 속도로 질량을 잃는 것으로 예상되고 있다. R136a1은 거대한 질량 행성이 합체해 형성된 것으로 간주되고 있다.
지금까지 별은 질량과 크기가 일관되게 비례한다. 하지만 이보다 더 큰 크기 별을 생각하면 팽창이 중요한 요소가 된다. 주계열별은 핵에서 수소가 부족해지면 핵에서 핵융합 효율이 저하되면서 핵은 압축되어 온도와 압력이 상승한다. 그 결과 외적 에너지가 증가하기 때문에 시간이 지나면서 별 외층은 팽창한다.
예를 들어 가크룩스(Gacrux)는 태양보다 1.3배 정도 질량이지만 반경은 태양보다 84배에 달한다. 한편 태양도 죽기 직전에는 반경이 200배로 팽창할 것으로 예상되고 있다. 200배 반경까지 팽창하면 수성과 금성을 삼켜버릴 전망이다.
이런 팽창한 태양이 비교되지 않을 만한 크기를 자랑하는 게 이 우주에서 가장 큰 별인 극대거성(Hypergiant)이다. 극대거성은 매우 밝아 표면 중력이 약한 표면에서 대량 질량이 유출되고 있다고 한다.
피스톨(Pistol star)은 태양보다 질량은 25배지만 반경은 300배. 수명 예측은 어렵지만 수백만 년 정도로 볼 수 있으며 푸른 빛을 발해 밝은 청색 변광성으로 분류된다.
피스톨과 같은 밝은 청색 변광성보다 큰 게 황색 극대거성(Yellow hypergiant). 연구가 진행 중인 황색 극대거성은 카시오페이아 자리로 지구에서 1,000광년 떨어져 있음에도 육안으로 파악할 수 있을 만한 정도 밝기를 자랑한다. 카시오페이아 자리로는 태양보다 40배 질량으로 반경은 500배, 밝기는 50만배에 달한다. 만일 카시오페이아 자리에서 태양과 같은 위치로 옮겨지면 인류는 불타 죽을 것이다. 황색 극대거성은 드물고 지금까지 15개 밖에 발견되지 않았다. 이는 황색 극대거성 수명이 짧다는 걸 의미한다.
이런 황색 극대거성보다 큰 게 적색 극초거성이다. 적색 극초거성은 관측되는 한 큰 별에서 어쩌면 더 이상 큰 별은 존재하지 않을지도 모른다. 결국 우주에서 가장 큰 별이 어떤 것이냐고 묻는다면 정확한 답변은 모르겠다는 것이다. 적색 극초거성으로 분류되는 별은 밝지만 지구에서 멀리 떨어져 있기 때문에 작은 측정 오류도 큰 측정 결과 오차를 낳을 가능성이 있다. 또 적색 극초거성은 태양계에 필적하는 크기인 데다 대량 질량을 방출하고 있기 때문에 측정 자체도 어렵다. 따라서 과학 기술이 발달하고 계측기기 자체가 개선되면서 우주에서 가장 큰 별이라는 질문에 대한 대답도 달라질 것으로 보인다.
지금까지 발견된 건 스티븐슨 2-18(Stephenson 2-18)이 최대다. 스티븐슨 2-18은 태어날 때에는 태양보다 몇 배 질량을 갖고 있었지만 전체 질량 절반을 잃었다고 여겨진다. 평균적인 적색 극초거성은 대량 태양보다 1,500배 반경을 갖는 것으로 간주되지만 스티븐슨 2-18은 태양보다 2,150배 반경을 가지며 밝기는 태양보다 50만 배에 달하는 것으로 보인다.
스티븐슨 2-18을 일주하는데 걸리는 시간은 빛의 속도로 8.7시간. 블랙버드라는 애칭으로 알려진 인류 역사상 가장 빠른 항공기인 SR-71의 경우에는 일주하는데 500년 가까이 걸린다. 태양 위치에 스티븐슨 2-18이 존재한다면 표면은 토성까지 도달한다.
스티븐슨 2-18은 질량을 계속 방출하고 있기 때문에 온도는 상승을 계속해 핵에 중금속이 축적된다. 스티븐슨 2-18은 결국 초신성 폭발을 일으켜 우주에 중금속을 함유한 가스를 퍼뜨리게 될 것이다. 흩뿌려진 가스에 의해 별이 태어나거나 죽는 등 사이클이 새로 시작하게 되는 것이다.
