[천체특강 6]별의 특성과 종류-다양한 종류의 별

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오늘 건 [천체특강 7]에서 H-R도를 다룰건데 딱 그 전초전 느낌?

이 글을 잘 읽어두시면 H-R도랑 별의 진화 하실 때 편합니다. H-R도랑 별의 진화 하실 때 모르는 용어나 헷갈리는 말이 있으면 여기 오시면 높은 확률로 해결될거예요.

먼저 주계열성은 별이 가장 긴 시간을 보내는 단계입니다. 우리가 [천체특강 5]에서 별의 광도에 대해 배웠는데, 별의 광도에 대해 알아두어야 할 게 하나 더 있어요. 주계열성은 질량이 다양하죠? 태양이랑 질량이 비슷한 녀석도 있을거고 태양보다 질량이 크거나, 질량이 작은 애들도 있을겁니다.

그러면 질량에 따라서 광도는 어떻게 결정될까요? 음...일반적으로는 질량이 커질수록 안에서 만들어지는 에너지가 많을테니까 광도가 더 커질겁니다.

일단 기본적으로는 "주계열성의 질량이 클수록 안에서 만들어지는 에너지의 양이 많으니까 광도가 크겠군" 이렇게 생각해주시면 될거예요.

(이 내용이 뒤에 별의 진화 할 때 많이 유용합니다)

지난 [천체특강 4]에서 별의 온도가 높을수록 별의 광도가 높고, 별의 온도가 높을수록 별이 방출하는 에너지의 양이 많고, 별의 반지름이 클수록 광도가 높다는 사실을 배웠습니다.

이 사실들을 이용해서 몇 가지 더 생각해볼 수 있어요. 별의 반지름이 클수록 광도가 높고, 조금 전에 질량과 광도는 비례하는 형태라고 했으니까 별의 반지름이 클수록 질량이 크다고 할 수 있겠죠?

다만, [천체특강 4]에서 보았듯 별의 반지름은 온도의 제곱과 반비례합니다. 이건 낚이기 쉬운 오개념이니 주의해주셔야 해요.

이제 주계열성에 대해 좀 더 자세히 짚어봤으니 주계열성이 아닌 녀석으로 가보겠습니다.

우선 별은 성간 물질이라는 우주에 존재하는 가스와 먼지들이 뭉치면서 생기죠? 이 먼지들이 어떻게 뭉치는지에 따라 별의 질량이 변하고, 주계열 단계 이후에 별의 최후가 어떻게 되는지 결정합니다.

그런데 어떤 별은 너무 가벼워서 수소 핵융합조차 제대로 안 일어나는 녀석이 있어요. 바로 갈색 왜성입니다. 이따 백색왜성, 암흑왜성 등등 왜성에 대해 추가적으로 언급하겠지만, 왜성은 "왜"소한 "별"이예요. (구)명왕성을 정말 작은 향성이라고 왜소행성이라 하듯 얘도 정말 크기가 작고 수소 핵융합 반응이 거의 일어나지 않는 항성(?)입니다. 정말 작은 녀석인 덕에 에너지 방출도 거의 없고, 위에서 얘기했듯 반지름도 정말 작고, 질량도 정말 작아요.

갈색 왜성보다 좀 더 무겁지만 마찬가지로 태양보다 질량이 한참 작은 별은 적색 왜성이라고 불러요. 위에서 얘기했듯, 질량이 작아 방출하는 에너지량이 적어서 붉은색을 띠고 있습니다. 분광형으로 따지면 K, M형 정도인 셈이죠.

이제 주계열성으로 가서 얘들이 주계열성 단계를 벗어난 이후를 볼게요.

적색 거성과 적색 초거성이 대표적입니다. 먼저 적색 거성부터 보면, 태양과 질량이 거의 비슷하거나 8배 정도(핵물리학에선 6~7배로 따지기도 하는데 일단 무시하고)인 별들이 수소 핵융합 반응을 마치고 중력을 이기지 못해 수축해서 생기는 별이예요. 앞에서 언급했듯, 반지름은 온도의 제곱에 반비례한다고 했는데 이렇게 수축하면서 반지름이 줄어든 덕분에 온도는 오히려 올라가서 중심핵 바깥의 수소층에 존재하던 수소가 다시 핵융합을 시작합니다.

다만, 여기서 정말 주의하셔야 할 게 있는데 표면온도는 낮아지지만(바깥 수소층에 존재하던 수소가 핵융합하는 양이 주계열성때 별의 핵에서 핵융합하는것보다 양이 적어요) 광도는 높아지게 되니까, H-R도 문제를 푸실 때 적색거성이 나오면 조심해주실 필요가 있어요.

(과거 지2에는 수평가지 등의 개념이 있었고 천문학이나 핵물리학에서는 이 개념을 필요로 하지만 지1 교과과정에서는 수평가지 단계는 무시합니다)

다음으로 적색 초거성. "초"가 붙어있으니까 적색 거성보다 더 무겁나봅니다. 그쵸? 태양보다 8~25배 무거운 별이 주계열 단계를 마치고 적색 초거성 단계로 가요. 일반적인 성질은 적색 거성이랑 비슷해요. 수축해서 반지름이 줄어들고 붉은 빛을 띠지만 표면온도는 증가해서 핵융합 반응이 그대로 일어난다, 광도는 더 커진다 등등..

다만 적색 초거성은 더 무거운 만큼 핵융합이 일어나면서 더 무거운 핵을 만들어냅니다. 결국 철핵까지 만들고 나서 초신성 폭발의 형태로 소멸되지요.

그리고 적색 초거성은 과할 정도로 부풀어서 적색거성이나 주계열성에 비해 밀도가 작은 것도 특징이라면 특징입니다.

이렇게 주계열 단계 이후에 생긴 적색 거성과 적색 초거성은 각각 행성상 성운과 초신성 폭발로 소멸되고, 그 자리에 백색왜성(적색 거성의 경우)과 중성자별(적색 초거성의 경우)로 남습니다.

우리는 H-R도에 이런 별들을 표시하기 위해 이걸 공부하고 있습니다. 그러니 별의 특성과 물리량을 잘 매치시켜주세요:)

백색왜성은 태양과 질량이 비슷한 상대적으로 가벼운 별의 마지막 흔적입니다. 크기가 굉장히 작지만, 반지름과 온도의 제곱은 반비례하기에 온도가 높아 흰색으로 보이므로 분광형은 A형이라고 볼 수 있네요.

별의 온도와 광도는 "대체로" 비례하지 절대적으로 비례한다고 외우시면 안 되는데, 그 대표적인 예가 백색왜성이예요.

얘는 온도에 비해 반지름이 작아 광도가 작습니다. 다만 밀도는 정말 크고요.

다음 [천체특강 7]에서는 별의 온도와 광도, 반지름의 관계를 나타낸 그래프인 H-R도를 다룰거예요. 그 전에 별의 물리량을 더 깊이 알아봤고 다양한 별들의 특성을 파악했습니다. 그리고 정말 조심할 건 별의 물리량을 파악할 때 상식이나 즉흥적으로, 단편적인 면만 보지 말고 지금까지 설명했듯 온도, 광도, 반지름, 질량 등등...모든 경우를 생각해서 파악하길 바래요. 그러면 실수가 확 줄어들겁니다!

그리고 이 부분을 잘 읽어두시면 [천체특강 8]에서부터 다룰 별의 진화 공부하기도 쉬워요.