별의 마지막 한계 - 찬드라세카르 한계질량

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다.

 

우리가 밤하늘에서 보는 수많은 찬란한 별들도 결국 생을 마감하게 되는데요

그들 중 일부는 일정한 한계를 넘어서는 순간 폭발하거나 사라지게 됩니다!

 

별의 운명을 결정하는 경계선이 바로 찬드라세카르 한계질량입니다!

 

이 법칙은 인도 태생 미국인인 수브라마니안 찬드라세카르가 19세의 젊은 나이에 발견했는데요.

초기에는 이 이론에 대한 학계 내의 반대와 의심이 있었지만 그의 이론에 대한 헌신과 입증으로

1983년 윌리엄 아플레드 파울러와 함께 노벨물리학상을 수상하였습니다!

 

오늘은 19세의 천재 과학자가 발견한 찬드라세카르와 한계질량에 대해 알아보도록 하겠습니다!

 

찬드라세카를 한계질량(Chandrasekhar Limit)

 

1. 찬드라세카르 한계질량이란?

별은 일생 동안 내부의 핵융합에 의해 에너지를 방출하며, 이 과정에서 복사압과 중력이 균형을 이루면서 존재하고 있습니다!

하지만 별이 핵융합을 멈추는 순간, 별의 중력에 의해 다음과 같은 과정을 거쳐 스스로 붕괴하기 시작하는데요.

 

① 수소 핵융합 종료

중심부의 수소 고갈로 인해 헬륨 핵융합이 시작되면서 부풀어 올라 적색 거성(Red Giant)을 형성

 

② 헬륨 핵융합 종료

헬륨마저 소진되면 별의 외곽물질(복사층, 대류층, 광구 등) 행성상 성운 형성

 

③ 백색 왜성

중심부에서 더 이상 핵융합 없이 강한 중력으로 인해 수축하여 백색왜성을 형성(태양 질량의 약 8배 이하)

 

이때, 핵을 구성하는 물질의 양자역학인 성질 때문에 서로 밀어내려고 하는데 이를 전자의 축퇴압이라고 합니다.

이 전자의 축퇴압으로 별은 중력 붕괴되지 않고 백색 왜성으로서 존재할 수 있는 것이죠.

 

하지만 이 백색왜성의 질량이 태양의 약 1,4배가 넘어가기 시작하면 축퇴압과 중력의 균형이 깨져버리고 붕괴가 시작되는데요.

이 질량을 찬드라세카르 한계질량이라고 합니다!

 

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2. 찬드라세카르 한계를 넘게 되면?

백색왜성이 찬드라세카르 한계를 초과하면 크게 두 가지 형태로 나뉘게 되는데요!

 

중성자별 

우주에서 가장 극단적인 상태 중 하나로 백색왜성의 붕괴로 인해 초신성 폭발을 일으킨 뒤,

중심핵이 붕괴하면서 생기는 중성자별로 태양질량과 비슷하지만 크기는 지름 약 10~20km 정도로 매우 작다.

극단적으로 압축된 형태이며 숟가락 한 스푼의 무게가 약 10억~100억 톤에 달할 정도입니다.

 

블랙홀

만약 질량이 더 크다면, 중성자축퇴압마저 버티지 못하고 완전히 붕괴하면서 블랙홀이 되는데요!

블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없는 강력한 중력을 가진 천체입니다.

 

찬드라세카르 한계질량을 넘은 블랙홀

 

찬드라세카르 한계는 별의 최후를 결정하는 운명의 문턱으로
이 한계가 없었다면 초신성도, 중성자별의 존재도 불가능 했을 것이다.