[아하! 우주] 우주에서 가장 오래된 별은 몇 살일까?

-천구 남극의 물뱀자리에서 발견된 'SM3'

우주에서 가장 오래된 별의 나이는 과연 얼마나 되었을까?

최근의 정밀한 측정으로 우주의 나이가 138억 살이라는 계산서가 나왔으므로, 이보다 나이 많은 별은 일단 없을 것이다. 현재까지 관측사상 가장 오래된 별은 2014년 호주국립대학(ANU) 스테판 켈러 박사 연구팀이 발견하여 ‘SMSS J031300.36-670839.3’(이하 SM3으로 약칭함)이라는 긴 숫자로 명명된 별이다.

발견 확률이 6000만분의 1로 알려진 이 별은 ANU 연구팀이 사이드 스프링 천문대의 스카이매퍼 망원경으로 11년간 탐색한 끝에, 천구 남극에 가까운 물뱀자리에서 발견했다고 2014년 2월 네이처 지에 발표되었다.

-태양 나이의 3배인 136억 살 먹은 별

별에 관한 화학적 연구 결과, 약 136억 년 전에 탄생한 것으로 추정되는데, 이는 우주의 시작인 ‘빅뱅’으로부터 겨우 2억 년이 지난 시점으로, 우주 탄생의 신비를 푸는 과학자들의 연구에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

이 별이 발견되기 전까지 가장 오래된 별은 약 132억년 전 탄생한 두 별로, 각각 유럽과 미국 연구팀이 2007년과 2013년 학계에 보고했다.



SM3가 있는 곳은 우리은하 안으로, 거리는 약 6000 광년이다. 우주의 척도로 보았을 때 비교적 지구에 가까운 곳에 있는 셈이다. 이 별의 스펙트럼을 검토한 연구자들은 검출 가능한 수준의 철 성분을 전혀 찾지 못했다. 이는 곧 SM3이 태고에 태어난 제1 세대의 별이라는 명백한 증거로 볼 수 있다.

빅뱅으로 탄생한 초기 우주에는 수소와 헬륨 그리고 약간의 리튬만이 존재했으며, 나머지 88가지의 자연 원소는 모든 항성 속에서 만들어지거나, 아니면 수명을 다한 거대 항성이 초신성 폭발을 일으켰을 때 만들어진 것들이다. 따라서 제1 세대의 별은 수소와 헬륨, 리튬으로만 생성되었으며, 중심부에서 수소 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생산함으로써 별의 일생을 시작했다.

이 핵융합은 수소 다음에는 헬륨, 탄소, 네온, 산소 순으로 진행되어 마지막 원자번호 26인 철에서 멈춘다. 철은 가장 안정된 원소로 더 이상 핵융합을 하지 않으며, 철 이상의 중원소들은 모두 초신성 폭발 때 순간적으로 만들어진 것들이다.

-푸른빛은 젊은 별, 붉은 빛은 늙은 별

이러한 항성의 진화 과정은 별의 나이를 판정하는 방법을 시사해주는데, 그것은 곧 별에 포함된 철의 양을 측정하면 그 별의 나이를 알 수 있게 된다는 뜻이다.

따라서 연구자들은 별의 색깔만 봐도 그 별이 얼마나 오래된 것인지 알 수 있다. 스펙트럼상에서 철의 양이 적을수록 그 별은 오래된 것임을 알려주는 것이다.

SM3 별이 지닌 철의 함량은 태양의 100만분의 1에도 못 미친 것으로 밝혀졌다. 이는 현재까지 알려진 어떤 별과 비교해도 60분의 1 미만 수준으로, 이 별이 지금까지 발견된 가장 오래된 별임을 보여준다는 것이다. 별의 나이는 대부분 1억 살에서 100억 살 사이이다.

항성의 운명은 처음 태어날 때의 덩치, 곧 질량에 따라 대부분 결정된다. 초기 질량은 그 별의 밝기, 크기, 진화 과정, 수명 및 최후를 맞는 양상 등을 결정하는 유일한 조건이다.

별은 질량이 클수록 수명이 짧다. 이는 무거운 별은 중심핵의 압력이 매우 커서 작은 별에 비해 수소를 작은 별보다 훨씬 빨리 태우기 때문이다. 가장 질량이 큰 별은 백만 년 정도 사는 반면, 질량이 작은 적색왜성 같은 별은 중력이 약해 연료인 수소를 소모하는 속도가 상당히 느려 그 수명이 엄청 길다.

조만간 초신성 폭발을 일으킬 것으로 예측되는 오리온자리의 초거성 베텔게우스는 태양 크기의 900배나 되기 때문에 나이가 고작 850만 년임에도 임종이 가까운 것이다.

태양 질량의 10%인 적색왜성의 경우 그 수명이 무려 10조 년이나 된다. 100년을 못 사는 인간에 비하면 거의 '영겁'을 사는 셈이다.

이광식 통신원 joand999@naver.com