성단의 H–R도

페르세우스자리 이중 성단, 플레이아데스, 히아데스, M67의 네 성단을 색–등급도로 그리고 거리를 보정해 H–R도로 겹쳤다. 아래쪽의 어두운 주계열은 네 성단이 거의 겹쳤는데, 위쪽 끝은 성단마다 달랐다. 이중 성단은 매우 밝고 파란 별까지 주계열에 남아 있었고, M67은 태양보다 조금 밝은 곳에서 주계열이 끊기며 오른쪽 위로 꺾여 적색 거성들로 이어졌다. 주계열이 끊기는 자리는 성단의 무엇을 알려 줄까?

3.11.1무거운 별부터 떠난다

성단의 별들은 같은 성운에서 거의 같은 때 태어났으므로 나이와 처음 성분이 같고 질량만 다르다. 주계열성은 중심에서 수소를 태워 빛을 내는데, 무거운 별은 연료가 많지만 훨씬 더 빨리 태운다. 별의 광도는 대략 질량의 3.5제곱에 비례하므로, 질량이 2배인 별은 연료가 2배이지만 11배 넘게 빨리 쓴다. 그래서 무거운 별일수록 주계열에 머무는 시간이 짧다. 성단이 나이를 먹으면 무거운 별부터 차례로 주계열을 떠나 거성이 되고, 주계열의 위쪽 끝이 점점 아래로 내려온다. 이 끝을 전향점이라 한다.

그래서 전향점의 밝기나 색으로 그 별의 질량을 정하면, 그 질량의 주계열 수명이 곧 성단의 나이이다. 아래쪽 주계열은 성단의 나이와 상관없이 같은 자리에 놓이므로, 주계열 맞추기로 거리를 구할 때는 아래쪽을 쓰고 위쪽의 전향점으로 나이를 읽는다. 오래된 성단에는 전향점에서 떠난 별들이 오른쪽 위의 적색 거성 가지에 늘어서고, 아주 젊은 성단에는 아직 주계열에 닿지 못한 가벼운 별들이 주계열 오른쪽에 남아 있다.¹

3.11.2구상 성단과 산개 성단

은하 원반에 있는 산개 성단은 수백에서 수천 개의 별이 느슨하게 모인 것으로, 대부분 수억 년 안에 흩어지므로 젊은 성단이 많다. 반면 은하 둘레의 헤일로에 있는 구상 성단은 수십만 개의 별이 공 모양으로 빽빽하게 모여 있고, 전향점이 태양 질량보다 작아 100억 년이 넘는다. 그래서 구상 성단의 나이는 우리은하와 우주의 나이에 하한을 정해 준다. 무거운 원소가 적은 별은 같은 질량에서도 조금 더 뜨겁고 밝으므로, 성단의 성분을 함께 고려해야 나이를 정확히 구할 수 있다.

3.11.3예제 풀이

나이는 \(t \approx 100\text{억 년} \times 2.5^{-2.5} = 100\text{억 년} / 9.88 \approx 10\)억 년이다. 그림 1의 히아데스보다 조금 늙은 성단이다.

50억 년 뒤에는 나이가 60억 년이 되므로 전향점의 질량은 \(M = (100/60)^{1/2.5} = 1.67^{0.4} \approx 1.23\)배이다. 그때 성단의 전향점은 태양보다 조금 무거운 F형 별로 내려와, 지금의 M67보다 조금 더 늙은 모습이 된다. 지금 전향점에 있는 2.5배의 별들은 이미 적색 거성을 지나 백색 왜성이 되어 있을 것이다. 즉 같은 때 태어난 별들의 무리에서 주계열이 끊기는 자리는 그 질량의 별이 수소를 다 태우는 시간을 알려 주어, 성단의 나이를 재는 시계가 된다.

아래 탐구 카드에서 네 성단의 색–등급도를 겹쳐 전향점을 찾고, 전향점 별의 질량으로 각 성단의 나이를 비교해 보자.

1. 태양은 지금 약 46억 살로, 주계열 수명 약 100억 년의 절반쯤을 지났다. 태양과 함께 태어난 형제 별들은 처음 성단에서 이미 흩어져 은하 곳곳에 퍼졌는데, 별빛의 성분을 비교해 그 형제를 찾으려는 연구도 있다.