적색초거성

적색초거성은 질량이 태양의 8~25배 사이의 항성이 겪는 말년의 단계이며 분광형은 K, M형이며 표면온도는 1973K~5273K사이의 항성이다. 지름은 태양의 800배 이상으로 매우 거대하다.

내부의 중심핵이 탄소핵융합을 할 수 있는 질량을 가지고 있기 때문에, 탄소핵융합 반응을 하기 전의 탄소 핵융합 반응을 준비하는 단계의 별이기도 하다.

적색거성과 적색초거성을 구분짓는 요인은 크기에도 있지만, 더 중요한 것은 질량이다. 질량에 따라 이러한 별의 종류를 구분짓게 된다.

특징

질량이 태양의 8배 이상의 거대한 별은 수소를 다 태우면 크게 부풀게 된다. 헬륨을 태우기 전에는 일반적인 황색 초거성 상태를 유지하고 헬륨을 태우게 되면 청색초거성 상태로 진입하다가, 헬륨을 다 태우면 내부의 밀도 높은 탄소핵과 산소핵의 3억K의 높은 온도로 인해 급격히 크게 부풀게 된다.

지름은 태양의 800~2000배까지 크게 부풀게 되는데 전체적인 평균 밀도는 매우 낮지만 내부 밀도는 100kg~1톤/cm^3에 이른다. 탄소 핵융합이 일어나려면 9억K에 달하는 온도가 필요하므로 쉽게 탄소는 타지 않는다. 따라서 껍질 핵융합은 엄청나게 일어나게 되며 별은 크게 부풀게 된다. 이렇게 적색초거성의 내부는 내부의 축퇴된 핵융합의 찌꺼기들이 쌓여 중심핵은 에너지 대류가 이루어지지 않으며, 중심핵 외곽의 껍질 융합으로 생산된 에너지는 별의 외곽으로 뻗어나가게 되어 전체적으로 크게 부풀게 된다.

태양의 20배의 별이 헬륨을 다 태우고 탄소를 태우려면 이것에 대한 준비기간만 15만년에 이른다. 적색 초거성은 주로 이 기간에 나타난다.

일반적으로 내부 중심핵의 온도가 5억K이상 올라가면 내부의 껍질 핵융합으로 인해 별은 크게 부풀고 적색초거성으로 진입한다. 엄청난 핵융합은 별의 핵반응 부위까지도 팽창시키고 별의 온도를 낮추게 된다. 하지만 그 전의 엄청난 에너지를 내뿜은 별은 외부가 에너지의 힘을 못 이기고 대량의 질량 방출을 하게 된다. 이때 질량이 많이 남아 있어 즉시 내부 핵융합으로, 내부가 또 다시 부풀면 적색초거성 상태를 유지하지만, 질량이 부족하여 내부의 핵반응을 바로 충족하지 못하게 되면 별은 수축하여 청색초거성이 된다. 따라서 청색초거성 주위에는 과거의 질량 방출의 흔적이 있다. 청색초거성 내부는 다시 과열되어 핵반응이 촉진되면 별은 다시 팽창하여 적색초거성이 된다.

내부에 탄소를 태우게 되면 별은 수축하여 청색초거성으로 되며 안정기를 보낸다. 탄소 핵융합의 기간은 태양 질량의 20배의 별의 경우 불과 970년에 불과하다. 준비기간인 15만년에 비하면 다소 짧다. 다만 탄소를 다 태우면 다시 부풀어서 적색초거성으로 된다. 다만 남아 있는 외피의 질량이 적다면 청색초거성 상태를 유지할 수 있다. 왜냐하면 남아 있는 외피의 질량이 적다면 내부의 에너지로 인해 바로바로 어느 정도 부풀게 되면 표면온도가 일정이하로 떨어지기 전에 외부로 방출되어 버려지기 때문이다. 질량이 태양의 25배가 넘어가는 큰 별은 외부가 드러난 울프레이에별로 진화되기도 한다.

일반적으로 중원소 함량이 태양과 비슷한 경우 태양의 13배 이하의 별은 산소, 마그네슘, 규소, 황, 칼슘, 티타늄 등으로 이루어진 백색왜성을 남기게 된다. 산소를 태우려면 20억K이상이 되어야 하므로 쉽게 타지 않는다.

따라서 백색왜성에는 질량이 아무리 커도 산소가 포함되어 있다. 다만 태양 질량의 13배를 넘게 되면 내부에 철까지 생성하게 되고 철핵의 질량이 태양의 1.39배를 넘어가면 초신성 폭발을 일으키게 되고 중성자별을 형성하게 된다. 중원소 함유량이 극도로 낮으면 태양 질량의 9.1배에서도 초신성 폭발을 일으키게 되며 중원소 함량이 매우 높으면 태양 질량의 14배가 되어야만 초신성 폭발을 일으킬 수 있다.

태양 질량의 25배를 넘어가게 되면 항성은 극대 거성과 울프레이에 별을 형성할 수 있다. 중원소 함유량이 매우 낮은 경우 태양 질량의 25배에서도 초신성 폭발 후 블랙홀 형성이 가능하며, 태양과 비슷한 중원소 함유량이라면 태양 질량의 28배에서 초신성 폭발 후 블랙홀 형성이 가능하다.

적색 초거성의 종류

적색 초거성의 질량은 대체로 태양 질량의 40배를 넘어가지 않는다. 이보다 질량이 큰 별은 내부의 에너지가 더욱 더 커져 외포층을 성간매질 형태로 즉시 날려버리므로 청색초거성, 황색초거성 등으로 유지될 수 있다.

세페우스자리 VV, 안타레스, 베텔게우스 등이 있다. 적색초거성은 초신성 폭발 후 중성자별혹은 블랙홀을 형성하게 된다. 다만 중원소 함유량에 따라 태양 질량의 9.1~14배 사이에서는 산소, 황 등으로 이루어진 백색왜성을 남기게 된다.