별의 질량에 따라 핵융합 반응이 다르게 진행되는 이유는 무엇이며, 초신성 폭발은 어떤 핵반응의 결과인가요?
안녕하세요. 별의 질량이 클수록 핵융합 반응이 더 복잡하고 빠르게 진행된다고 하던데요 이때 별의 질량에 따라 핵융합 반응이 다르게 진행되는 이유는 무엇이며, 초신성 폭발은 어떤 핵반응의 결과인지 궁금합니다.
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 별의 질량이 핵융합 과정에 큰 영향을 주는 이유는 중심부 압력과 온도가 달라지기 때문인데요, 별의 질량이 크면 그 무게가 스스로를 더 강하게 압축하므로, 중심부의 압력과 온도가 매우 높아집니다.
이때 핵융합은 원자핵이 서로의 쿨롱 장벽, 즉 전하의 반발력을 극복해야 일어나는데, 이때 필요한 에너지가 바로 온도와 압력에서 공급됩니다. 따라서 태양급 이하의 질량이 작은 별에서는 주로 양성자-양성자 연쇄 반응이 지배적이지만, 질량이 태양 질량의 약 1.5배 이상의 큰 별에서는 중심부가 더 뜨거워져 CNO 순환 반응이 주된 핵융합 메커니즘이 되는 것입니다. 따라서 질량이 매우 큰 별은 이후 중심부에서 헬륨 융합 → 탄소 융합 → 네온, 산소, 규소 융합을 거치면서 점점 무거운 원소를 만들어내며, 철(Fe)까지 생성될 수 있는 것입니다.
반면에 철은 결합에너지 곡선의 최정점에 있기 때문에, 철보다 무거운 원소를 만드는 과정은 핵융합이 아니라 오히려 에너지를 흡수하는 흡열 반응인데요, 따라서 철이 중심에 축적되면 더 이상 에너지 생산이 불가능해지고, 중심부는 중력 붕괴를 막을 압력을 잃게 됩니다. 그 순간 중심핵은 빠르게 수축하고, 전자가 양성자와 결합해 중성자를 형성하는 과정인 전자 포획 이 일어나며, 이 급격한 붕괴로 엄청난 충격파가 발생합니다. 이 충격파가 별의 외곽층을 날려버리면서 일어나는 현상이 바로 초신성 폭발입니다. 감사합니다.