일반지구과학및 실습

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일반지구과학및 실습 II

2 주 차 별 이 란 무 엇 인 가 ?

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1. 항성이란?

별이란 무엇으로

만들어지는가?

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항 성 이 란 ?

“ . . . 중력적으로 뭉쳐진 핵 융합발전을 일으키고 있는 천체로, 천체의 에너지가 복사와 중성미자로 손실되면서

원소함량비가 진화하는 천에이다 . . .”

– Woosley, Heger and Weaver 2002

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무 엇 이 항 성 을 만 들 어 주 는 가 ?

• 이 질문에 대한 간단한 답?

중력

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1. 자체중력으로 뭉쳐진 천체

2. 내부 에너지원에 의해 공급되는 에너지를 복사하는 천체

조건의 변화

흩어짐

빛을 잃게 됨

진화 죽음

두 개의 조건이 만족되는 초기상태서 시작하여 적어도 한 개의 조건이 위반될 때

추적을 마침

항 성 이 란 ?

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4 가 지 기 본 힘

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• 강력:

• 가장 강하지만 적용범위가 아주 짧다

• 원자핵 직경 정도까지만 작용

• 약력:

• 강력보다 더 짧은 영역에 작용

• 베타 붕괴와 방사능에 적용

강 력 과 약 력

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• 양성자와 전자 사이의 상호작용을 일으키는 힘

• 세기는 거리의 제곱에 반비례하여서, 작용영역은 무한대

• 작용하는 힘의 방향은 전하의 부호에 따라 달라진다

전 자 기 력

• 부호가 다른 전하는 인력이 작용

• 같은 부호의 전하들은 반발력이 작용

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• 질량을 지닌 모든 물질들에게 작용하는 힘

• 전자기력과 함께 세기는 거리의 제곱에 반비례해서 작용영역은 무한대

• 전자기력과는 달리 중력에는 반발력으로 작용하는 성분이 없다

• 음의 질량이 없다

• 중력은 항상 인력으로 작용

중 력

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• 전자기력은 중력보다 비교가 안될정도로 강하다

• 한사람 주위를 다른 사람이 돌게 하면서 도는 사람을 구성하고 잇는

전자의 1%를 빼낸다면 전자기력은 아주 커서 지구궤도에 영향을 미칠 수도 있다

중 력 과 전 자 기 력

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• 천문학에서는 전자기력을 크게 고려하지 않는다

• 왜?

• 지구는 10

⁵¹

⁵¹

• 지구의 전체 전하량은 0에 가깝다

• 지구에서의 중력장은 그러나 양성자 하나의 중력장의 10

⁵¹

• 지구를 구성하고 있는 각각의 입자와 모든 입자의 중력장이 모여서 전체 지구 중력장을 형성한다

• 중력이 우주 전체에서 중요하게 작용한다

• 다른 힘들은 기본적으로 국부적으로만 작용한다

천 문 학 에 서 전 자 기 력

중력이 최종적인 승자가 된다!

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• 중력이 별의 특성에 어떤 영향을 미칠까?

• 별의 구성물질: 주로 수소와 헬륨으로 구성된 가스 2 ⅹ10

³⁰

• 이들 각각의 원자가 서로 인력을 작용하고 있다면 무엇이 가스 스스로 수축하지 않도록 지지해 줄 할까?

• 무엇인가가 이런 수축을 막고 있음이 분명하다!

항 성

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• 가스 자체가 수축을 막아주고 있다

• 가스의 바깥 층이 안쪽의 가스를 압축하면서 압력이 증가

• 각각의 원자들은 서로 꽉꽉 눌려지게 된다

• 가스는 개별입자들로 구성

• 큰 규모에서 우리가 관측하는 가스의 특징은 각 입자들의 작은규모의 특징들과 연관되어 있다 (거시적 물리량은 미시적 물리량과 관련)

항 성

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• 가스들은 작은 입자들로 구성되어 있는데, 이 가스들은 직선운동을

하면서 서로서로 부딪히는 운동을 한다

• 온도가 높다?

• 입자들의 빠른 운동으로 운동에너지가 크다

• 압력이 크다?

• 통의 벽을 때리는 입자들로부터 운동에너지가 전달된다

기 체 운 동 론

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• 0

^o

• 분자들은 보통 400m/s로 운동

• 운동속도는 0 에서 1200m/s에 걸쳐 분표

• 공기입자들은 멀리 운동하지 않는다

• 평균자유거리: 입자가 다른 분자와 충돌할때 까지

이동거리는 2x10

^–5

• 각 분자들은 초당 평균 5조번의 충돌

기 체 운 동 론

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• 우리가 알고 있는 가스의 특징은 간단한 이상기체 방정식에서 얻어진다

PV = nRT

기 체 운 동 론

• P ↑, V ↓, T ↑, 밀도가 커진다

• V ↓, P ↑, T ↑ , 밀도가 커진다

• T ↑, P ↑, V ↑ , 밀도가 작아진다

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• 중력은 별내부에서 가스들을 꽉꽉 누르고 있다

• 압력이 증가,

• 중심에서 가스온도 증가

• 별내부에서 압력과 중력이 균형을

이루게 되는 온도는 20,000,000K 정도

기 체 운 동 론

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• 별은 빛을 내면서 에너지를 잃어버리고 있다

• 수십억년 이상 빛을 내기 위해서는 스스로 에너지를 생성해내야 한다

• 별은 에너지를 어디서 얻을까?

• 화학 에너지? → 수 백만년 정도 유지 가능

• 중력에너지? → 1억년 정도 유지 가능

• 태양계 나이는 적어도 40억년!

• 새로운 에너지원을 찾아내야 한다

항 성 의 에 너 지 원

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• 수십억년동안 태양을 빛나게 해주는 에너지원은 핵에너지

• 태양은 아주 작은 질량을 에너지로 변환하고 있다

• 아인쉬타인의 에너지-질량관계:

E=mc ²

• 별은 주로 수소로 구성되어 있기에 가장 간단한 방법으로 에너지를 생산한다: 4개의 수소원자가 헬륨으로 핵융합되는 과정

항 성 의 에 너 지 원

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• 별의 핵에서의 엄청난 온도에서는 보통 물질은 고체나 액세상태로

존재할 수 없다

• 원자는 완전히 이온화되어서

원자들의 벗겨진 핵들은 전자들의 바다에서 자유롭게 운동을 한다

• 별의 내부는 플라즈마상태

• 물질의 4번째 상태

별 내 부 의 물 질 상 태

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• 핵은 접근하면서 반발한다

• 높은 온도에서 자신들의 전자기 반발력을 극복하면서 강한 핵력이 서로 융합하기에 충분할정도로 가까이 접근한다

별 내 부 의 물 질 상 태

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• 핵은 가스의 무작위운동을 하면서 아주 빨라져서 핵융합은 온도가 아주 충분히 높을 때만 가능해진다

• 핵융합이 일어나는 온도는 1000만도 K정도

• 핵융합은 항성의 핵에서만 일어난다

• 항성의 대부분 부분에서는 에너지를 생성하지 않는다

• 지구핵 (6,000K)이나

목성핵(20,000K)에서는 핵융합이 일어나지 않는다

에 너 지 를 생 성 하 는 곳

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• 수소에서 헬륨을 형성하는 핵반응은 4개의 수소를 가지고 시작하는데 여러 번의 단계를 거친다

H → H e 핵 융 합

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• 헬륨 원자 1개의 질량은 4개 수소원자들을 합한 질량보다 약간 작다 (0.7%)

• 이 잃어버린 질량이 에너지로 변환되어서 별에 에너지를 공급해준다

H → H e 핵 융 합

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• 매초 얼마나 많은 질량이 에너지로 변환될까?

• 현재 태양광도: 3.8 x 10

²⁶

• 초당 질량손실: 4,200,000,000kg (L/c

²

• 태양질량이 2 x 10

³⁰

에 너 지 변 환

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• 수소에서 헬륨으로의 핵융합은

몇가지 단계를 거쳐 일어남 (CNO)

• 산소원자는 핵융합반응과정에서

촉매재로 사용될 뿐 실제 사용되지 않음

• 반응이 끝나고 다시 새로운

반응싸이클에 촉매제로 사용될 준비가 됨

• CNO싸이클은 p-p고리보다 더 높은 온도에서 일어난다

에 너 지 변 환 ( C N O 싸 이 클 )

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• 별 온도계는 별의 압력이 평형을 유지하게 해준다

• 핵내부:

• 압력 ↑, 온도 ↑, 핵반응율 ↑,

• 에너지 ↑, , 온도 ↑,

• 별은 팽창하여 압력은 떨어지게 된다

별 온 도 계

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• 항성질량의 하한값은?

• 수축하는 별이 너무 작다

• 중심 온도와 중심밀도는 핵융합을 일으키기에 충분하지 않아서 빛나는 별이 되지 못한다

• 핵융합을 일으킬 수 있는 별 질량의 최소값: 태양질량의 0.08배 또는 목성질량의 80배정도

• 이 질량보다 작은 질량의 별들을 갈색왜성이라 부른다

갈 색 왜 성

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• 별이 지닐 수 있는 질량의 최대값은 복사압으로 결정된다

• 광자도 입자이기에 운동량을 입자들에게 전달할 수 있다

• 압력을 커지게 한다

• 태양의 중심: P

_rad

_gas

• 태양질량의 60배정도 되는 불: P

_rad

_gas

• 별의 질량이 태양 질량의 100배정도 되면, 복사압이 너무 커서 항성의 바깥 층을 불어 날려버리기에 충분하다

항 성 질 량 의 상 한 값

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• Eta Carinae의 HST사진

• 우리은하에서 질량이 가장 큰 별들중 하나

• 로브는 별이 자신의 바깥층을 방출하고 난 잔재

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• 최종적으로 균형이 잡혀진 천체가 항성이다!

항 성 은 . . .

중력

높은 온도

높은 온도 높은 압력

핵 융합

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https://www.youtube.com/watch?v=32WyKgdBQgE

별 이 란 . . .