수소지역(水素地域, H region), 헬륨지역

별들이 만들어지고 은하들이 형성된 후에도 별들 사이(성간공간/星間空間, interstellar space)에는 여전히 매우 낮은 밀도의 수소 및 헬륨가스가 존재하는데 이들을 성간가스라고 한다. 우주 초기에는 우주에 이들 수소 및 헬륨가스밖에 없었지만 나중에는 별들의 진화과정에서 만들어진 무거운 원소와 기타 화합물들로 이루어 진 티끌들이 약 10% 정도를 차지하게 되었다. 이들을 성간물질(星間物質, interstellar medium)이라고 하는데 그 밀도가 현재 인간이 만들 수 있는 최고의 진공상태보다도 1조분의 1밖에 안 되는 것이기는 하지만 그래도 아무것도 없는 것하고는 전혀 다르다. 이들은 우주공간에 골고루 퍼져있는 것이 아니라 곳곳에 거대한 집단, 즉 성운(성간 구름)을 형성한다.

성운 중 주로 수소들이 모여 있는 곳을 수소지역이라고 하는데 그것이 전기적으로 중성인 수소원자(H)들일 때는 HⅠ지역이라고 하며 온도는 100°K 정도이다. 이러한 HⅠ지역이 별에서 방출된 고온의 에너지를 흡수하면 수소들은 전자를 잃고 이온화되는데 이와 같이 이온화된 수소(H+)들이 모인 곳은 HⅡ지역이라고 하며 온도는 약 10,000°K 정도이다. 이 외에 주로 수소분자(H2)들이 모인 곳도 있는데 이들 지역의 온도는 10~100°K 정도이다. 또 전기적으로 중성인 헬륨가스가 모인 곳은 HeⅠ지역, 전자 한개만 잃은 헬륨(He+)가스가 모인 곳은 HeⅡ지역, 전자 2개를 모두 잃은 헬륨(He2+)가스가 모인 곳은 HeⅢ지역이라고 하지만 수소지역에 비해 훨씬 적다.

방출(放出, emission)성운

HⅡ지역의 하나로서 스스로 빛을 발산하지는 않지만 성운의 내부 또는 외부의 빛을 흡수하여 붉은 빛을 방출하는 성운이다.

반사(反射, reflection)성운

역시 HⅡ지역의 하나이나 외부의 별빛을 반사하여 푸른빛으로 보이는 성운이다.

확산(擴散, diffuse)성운

주로 수소분자로 이루어 진 가스와 먼지가 넓게 퍼져있는 성운으로서 온도는 100°K 정도이며 크기는 1광년 미만에서 크게는 수백 광년, 질량은 태양의 10배에서 수백만 배에 달하기도 한다. 이들 성운은 밀도가 낮아 그 뒤에 있는 별빛을 볼 수가 있다.

암흑(暗黑, absorption)성운

규모는 확산성운과 비슷하나 온도는 10~20°K 정도로서 매우 낮고 밀도는 1만 배 정도 더 높아 스스로 아무 빛도 발하지 않을 뿐만 아니라 성운 뒤에서 지구로 오는 모든 빛을 차단하기 때문에 주위보다 어둡게 나타나는 성운이다.

거대분자(巨大分子, giant molecular)성운

성분은 확산성운이나 암흑성운과 비슷하나 규모가 이들보다 더 커서 너비는 수백광년에 이르기도 하며 질량은 태양의 수십만 배에서 수백만 배에 달하기도 한다. 온도는 암흑성운보다도 더 낮은 10°K 정도이며 밀도는 암흑성운의 약 1백만 배, 확산성운에 비해서는 약 100억 배 정도 더 높아 별이 되기 가장 좋은 조건을 갖춘 성운이다.

촉진되는 별의 생성

나선형 밀도파(密度波, spiral-density waves)

초기 우주에서는 저절로 수소나 헬륨가스가 성운을 이루고 이들이 중력만으로 별로 만들어져야 했기 때문에 별이 만들어지기가 매우 어려워 처음 별들이 만들어지기까지에는 1억년이 넘는 세월을 기다려야 했다. 그러나 일단 별이 만들어지고 은하가 형성된 후에는 별이 훨씬 더 쉽게 만들어질 수 있는 환경이 조성됨으로서 수많은 별들이 짧은 시간에 만들어지게 되었는데 그 첫 번째가 나선형 밀도파이다. 흔한 형태의 은하인 나선형 은하의 나선 팔 끝부분에는 별을 만들다 남은 이온화된 수소(HⅡ)구름이 자리하고 있다. 이들 성운은 은하핵을 중심으로 회전하는데 은하핵에 가까울수록 속도가 빠르고 멀리 떨어져 있을수록 속도가 느리기 때문에 이들이 서로 충돌하면서 충격파, 즉 나선형 밀도파를 발생시킨다. 이 나선 팔 속의 밀도파는 거의 영구적이며 은하주변을 1초에 약 30km정도의 속도로 움직인다. 그리고 이곳을 지나가는 별들과 가스 및 먼지구름은 1초에 약 250km의 속도로 움직여 충격파를 추월해 통과하며 압착을 일으킨다. 이와 같이 별들 사이의 엷은 가스가 은하의 나선 팔 부근을 돌아다니다 압착되어 분자구름이 만들어 진다. 이들 거대분자성운은 중력에 의해 형태가 유지되므로 독립된 개체로 볼 수 있으며 이들로부터 수많은 새로운 별들이 만들어 지는 것이다.

초신성폭발 충격파(supernova percolation)

초신성 폭발이 일어나면 막대한 에너지의 충격파가 발생하여 주변으로 퍼져나가게 된다. 그러다가 거대분자성운을 만나게 되면 성운 내의 가스와 먼지를 압착하고 압착된 부분의 가스덩어리가 최대한도로 커지면 순식간에 중력붕괴를 일으켜 새 별이 탄생하게 된다. 이와 같이 초신성폭발 충격파는 1천만 내지 2천만년에 걸쳐 거대한 가스구름 전체를 가로질러 퍼져 나가면서 별들을 폭발적으로 만들어 낸다. 뿐만 아니라 초신성폭발로 인하여 쏟아져 나온 물질들은 별들 사이의 공간에 흩어지면서 차세대 별들의 원료가 될 새로운 분자구름을 만들기도 한다. 이러한 초신성폭발은 한 세기에 두세 번 정도에 불과하며 이렇게 재활용되는 물질은 사실 1년에 태양질량의 몇 배 정도밖에 안 된다. 그렇지만 수십억 년이라는 세월이 흐르는 동안 수억 번의 초신성폭발이 있었고 이런 식으로도 수많은 별들이 만들어지게 되는 것이다.

은하충돌 밀도파(density waves by galactic collisions)

은하와 은하가 충돌하면 밀도파가 발생하게 되고 이것 역시 나선형 밀도파나 초신성폭발 충격파와 마찬가지로 거대분자성운을 만나면 새로운 별들이 만들어지도록 하고 또 성간물질들이 모여 성운이 만들어지도록 하기도 한다.

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]