태양과 지구의 미래

별의 온도와 `주 계열` 위에서의 위치를 결정하는 것은, 별을 만들기 위해 수축하는 성운의 질량이다. 태양은 주 계열의 중간에 위치하는 평균정도의 질량을 가진 별로, 우리에겐 열과 온도에 대해 편리한 척도이다. 별이 가지고 있는 에너지의 근원은 그 핵에 있다. 핵의 온도는 천만도 이상으로 수소 핵을 융합시켜 헬륨 핵을 형성시키기에 충분하다. 소위 `열 핵융합(thermonuclear fusion)`이라는 이 과정은 물질을 에너지로 변환시켜 별에 동력을 공급한다.

이 에너지는 열과 빛의 형태로 방출된다. 그러면 이 과정은 얼마나 계속될 수 있을까? 그것은 이용 가능한 수소 연료의 양과 수소가 `타는` 속도에 달려 있다. 무거운 별일수록 많은 연료를 가졌지만, 이들은 더 뜨거운 핵을 가지고 있어서 가벼운 별보다 훨씬 빠른 속도로 연료를 태운다. 태양과 같은 중간 크기의 별은 100에서 150억 년(태양은 지금 중년이다.)동안 주 계열에서 안정적으로 타오를 수 있다.

`스피카(Spica)`와 같이 뜨거운 별은 단지 천만 년 정도 타고 그 연료를 모두 써 버린다. 주 계열의 바닥에 위치한 차갑고 타는 속도가 느린 적색 왜성들은 핵융합의 압력과 중력이 균형을 이루기 때문에 수천억 년 동안 순조롭게 생존할 수 있다. 별이 수소 연료를 모두 써 버리면 서서히 부풀어올라 `적색 거성(Red Giant)`이 되면서 주 계열을 떠난다.

`M 67` 성단에 있는 별들의 H-R도는 태양보다 무거운 별들이 수소 연료를 모두 태우고 주 계열을 떠났음을 보여 준다. 이것으로 미루어 보아 이 성단의 나이가 대략 100억 년 정도라는 것을 알 수 있다. 성단의 별들이 주 계열을 떠나는 `임계점`은 그 성단의 나이를 알려 준다. 벌집 성단은 M 67보다 훨씬 젊다. 이 성단의 나이는 단지 10억에서 20억 년 정도 되었을 뿐이다.

`춘분`은 봄의 첫날로 태양이 천구의 적도를 가로질러 다시 북쪽 하늘로 올라온다. 날마다 우리는 태양의 열기를 조금씩 더 느낀다. 지구의 모든 생물들은 태양에 의지해 살고 있고, 우리의 관심은 다른 모든 별들보다도 단지 하나의 별, 지구에서 1억 5천만 킬로미터 떨어져 있는 노란색을 띤 중간 크기의 G타입 별에 집중되어 있다. 

태양은 얼마나 오랫동안 안정적으로 열과 빛을 방출할 것인가? 계절의 변화는 얼마나 오랫동안 지금과 같은 고마운 주기성을 유지할 것인가? 별의 일생에 대한 계산은 대단히 어렵고, 매우 복잡한 물리학의 이론들을 바탕으로 하고 있다.

여기에는 별들의 속성에 대한 학문적인 가설과 함께 거의 한 세기에 걸친 끈질긴 연구에서 수집된 원자핵에 대한 지식이 필요했다. 이 계산에 의하면 태양과 같은 크기의 별은 적어도 100억년 정도는 안정적으로 탈 수 있다. 

바위에 대한 방사능 연구와 운석에 대한 연구를 통해 태양계의 나이가 거의 50억 년임을 계산해냈다. 이것이 사실이라면 태양은 그 일생의 반을 지나온 것이다. 그리고 우리는 앞으로 수십억 번 정도의 푸르른 봄을 기대해도 좋을 것이다. 그때까지 현 인류가 존속할 수 있을지는 미지수이지만. .

46억년 전 태양은 별들 사이의 성운에서 응축되었다. 중력이 조여드는 것을 막을 수 있을 만한 충분한 에너지가 핵에 발생했을 때 태양은 수축을 멈추고 주 계열로 접어 들었으며, 자신의 `정상적인`삶을 시작했다. 태양의 내부 에너지 자원이 고갈되어 버리면 태양은 불안정한 시기로 들어가서 적색 거성이 될 것이다. 그렇게 되면 중력이 다시 지배하게 되어 태양은 수축, 함몰할 것이고 결국은 죽음의 별이 될 것이다.

3월 22일 저녁에, 태양은 정확히 `정서(正西)`방향으로 진다. 그러나 태양이 비록 지평선 너머로 졌더라도 그것은 하늘의 적도를 가로질러 황도를 따라 북쪽으로 움직인다. 이날부터 매일 밤 태양은 하늘에 약간씩 더 오래 머무르고, 북쪽으로 조금씩 더 움직여 간다. 여름도 그리 멀리 있지 않다! 앞으로 30~40억 년 정도 지나 우리의 별이 죽음의 고통을 겪게 된다면 그에 따라 지구는 또 어떻게 될까? 전망은 희망적이지 않다.

첫째, 태양은 부풀어올라 온 하늘을 가득 메울 정도로 거대한 붉은 별이 될 것이다. 지구는 모두 타 버려 생명체는 전부 죽게 될 것이다.

둘째, 태양의 바깥 껍질은 폭발하여 둥근 `행성상 성운(Planetary nebula)`을 만들 것이나 그 모습에 감탄할 사람은 아무도 남아 있지 않을 것이다. 그 영역은 화성을 지나 목성 궤도까지 미칠 수 있다.

마지막으로 태양은 수축되고 식어가는 동안 열과 빛의 마지막 남은 찌꺼기들을 방출하며 백색 왜성이나 중성자 별의 형태로 변하게 될 것이다. 태양이 죽음에 이르는 과정이 끝나고 나면 지구는 새까맣게 타버린 숯덩이가 얼어붙은 형태로 그 삶을 끝낼 것이다.