나뭇잎 교과서

변광성과 초신성

밤하늘의 별 가운데는 며칠 주기로 밝아졌다 어두워지는 별, 갑자기 수억 배 밝아지는 별이 있습니다. 밝기가 변하는 모양, 광도 곡선에는 별 속에서 일어나는 일이 담겨 있습니다.

먼저 알면 좋은 것 별의 진화별까지의 거리
본문

변광성과 초신성

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1912년 리빗은 마젤란은하의 변광성 수백 개를 조사하다가 뚜렷한 규칙을 찾았다. 밝기가 변하는 주기가 긴 별일수록 더 밝았던 것이다. 이 별들은 모두 거의 같은 거리에 있으므로, 겉보기 밝기의 차이는 곧 진짜 밝기의 차이였다. 이 발견은 10년 뒤 허블이 안드로메다가 우리은하 밖의 다른 은하임을 밝히는 열쇠가 되었다. 별의 깜빡이는 리듬이 어떻게 거리의 자가 될까?

그림 1. 세페이드 변광성의 주기–광도 관계(대략식). 주기를 재면 절대 등급을 알고, 겉보기 등급과 비교하여 거리를 구한다.
먼저 알아야 할 것별의 진화(지구과학), 별까지의 거리와 거리 지수(별까지의 거리), 로그.

2.5.1변광성

밝기가 변하는 별을 변광성이라 한다. 식쌍성처럼 두 별이 서로를 가려 밝기가 변하는 것도 있지만, 별 자체가 부풀었다 오그라들며 밝기가 변하는 맥동 변광성도 있다. 세페이드 변광성은 진화 후기의 거성으로, 별의 바깥층이 며칠에서 수십 일을 주기로 규칙적으로 맥동한다. 별이 클수록, 곧 밝을수록 맥동이 느려 주기가 길다. 큰 종이 낮은 음으로 천천히 울리는 것과 비슷하다.

정리 2.5.1 주기–광도 관계

세페이드 변광성은 변광 주기가 길수록 절대 등급이 밝다. 대략 \(M \approx -2.43(\log P - 1) - 4.05\)(\(P\)는 일)이다. 주기로 \(M\)을 구하고, 겉보기 등급 \(m\)과 \(m - M = 5\log d - 5\)로 거리 \(d\)를 구한다.

그림 1에서 주기를 바꾸어 보자. 주기 10일이면 절대 등급 약 −4로 태양의 약 3500배, 100일이면 약 −6.5로 약 3만 배 밝다. 이렇게 밝아 먼 은하에서도 하나하나 보이므로, 세페이드 변광성은 이웃 은하까지의 거리를 재는 표준 촛불이 된다.1

2.5.2초신성

더 먼 은하에서는 세페이드 변광성도 너무 어둡다. 그때는 초신성을 쓴다. 백색 왜성이 짝별의 물질을 빨아들여 한계 질량을 넘으면 핵융합이 폭주하며 터지는데, 이를 Ia형 초신성이라 한다. 터지는 질량이 거의 같아 최대 밝기도 거의 같고, 은하 하나만큼 밝아진다. 그래서 수십억 광년 떨어진 은하의 거리도 잴 수 있다. 1998년 이 방법으로 먼 은하가 예상보다 어둡다는 것, 곧 우주 팽창이 빨라지고 있다는 것이 발견되었다. 무거운 별이 일생의 마지막에 중심이 붕괴하며 터지는 초신성(Ⅱ형)은 무거운 원소를 우주에 퍼뜨린다.

표준 촛불밝기를 아는 방법닿는 거리 세페이드 변광성변광 주기수천만 광년 Ia형 초신성최대 밝기가 거의 일정수십억 광년
그림 2. 진짜 밝기를 아는 천체는 거리를 재는 표준 촛불이 된다.

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

어느 은하에서 주기 10일, 평균 겉보기 등급 22.0인 세페이드 변광성을 발견했다. 그림 1의 대략식으로 절대 등급을 구하고, 은하까지의 거리를 구하여라. 성간 소광은 무시한다.

\(\log 10 = 1\)이므로 \(M = -2.43 \times 0 - 4.05 = -4.05\)이다. 거리 지수는 \(m - M = 22.0 + 4.05 = 26.05\)이다.

\(5\log d - 5 = 26.05\)에서 \(\log d = 6.21\), 곧 \(d \approx 1.6 \times 10^6\) pc이다. 약 160만 pc, 520만 광년이다. 그런데 성간 티끌이 빛을 가리면 별이 더 어둡게 보여 거리를 실제보다 멀게 잴 수 있다. 그래서 여러 파장에서 밝기를 재어 소광을 보정하고, 같은 은하의 세페이드 여러 개로 평균을 낸다. 허블은 이런 방법으로 안드로메다까지의 거리가 우리은하의 크기보다 훨씬 멀다는 것을 보였다.

아래 탐구 카드에서 무거운 별이 빨리 죽는 까닭, 별의 일생, 밝기가 변하는 모양만 보고 무슨 일인지 알아내는 방법을 살펴보자.

  1. 세페이드 변광성이라는 이름은 처음 발견된 세페우스자리 델타별에서 왔다. 북극성도 주기 약 4일인 세페이드 변광성이다.
마무리

세페이드 변광성은 주기가 길수록 밝은 주기–광도 관계를 가져, 주기로 절대 등급을 알고 겉보기 등급과 비교하여 거리를 구한다. 더 먼 은하는 최대 밝기가 거의 일정한 Ia형 초신성으로 잰다. 그래서 처음 질문의 별의 깜빡이는 리듬은 진짜 밝기를 알려 주는 표준 촛불이 되어, 다른 은하까지의 거리를 재는 자가 된다.

탐구 1

무거운 별은 왜 더 빨리 죽을까?

질량–광도 관계 · 진화 경로
광도 (태양 = 1)
—
주계열에 머무는 시간
—
최후
—

질량-광도 관계 L ≈ M³·⁵, 주계열 수명 ≈ 100억 년 × M⁻²·⁵로 계산한 어림값이다. 진화 경로는 모식이고, 최후를 가르는 질량 경계(약 8 M☉, 약 25 M☉)도 대략값이다.

  1. 질문무거운 별은 연료(수소)를 더 많이 가지고 있다. 그런데 왜 가벼운 별보다 훨씬 빨리 일생을 마칠까?
  2. 복원주계열성은 중심에서 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합으로 빛난다. 그래서 별이 주계열에 머무는 시간은 ‘가진 연료 ÷ 연료를 쓰는 빠르기’이고, 연료는 질량에, 쓰는 빠르기는 광도에 비례한다.
  3. 설명그런데 무거운 별은 자기 무게를 버티려고 중심의 온도와 압력이 훨씬 높아지고, 핵융합이 폭발적으로 빨라진다. 그래서 광도는 질량보다 훨씬 빠르게 커진다(L ≈ M³·⁵).
  4. 연결따라서 수명 ∝ M / L ≈ M / M³·⁵ = M⁻²·⁵이다. 질량이 10배인 별은 연료가 10배지만 약 3,000배 빨리 태우므로 수명은 약 300분의 1이다. 그리고 수소가 떨어진 별은 부풀어 거성이 되고, 질량에 따라 백색 왜성, 중성자별, 블랙홀로 일생을 마친다.
  5. 적용질량을 0.5 M☉부터 30 M☉까지 옮기며 수명이 우주의 나이(약 138억 년)보다 긴 별이 어느 질량부터인지 보자. 경로가 백색 왜성으로 끝나는 별과 초신성으로 끝나는 별이 어디서 갈리는지도 확인해 보자.
  6. 판단“별은 연료를 다 쓰면 식어서 꺼진다”는 생각은 절반만 맞다. 태양 정도의 별은 바깥층을 날려 보내고 백색 왜성이 되어 천천히 식지만, 무거운 별은 초신성으로 폭발하며 철보다 무거운 원소를 우주에 흩뿌린다. 지구와 우리 몸의 원소 일부도 그렇게 만들어졌다.

확인조건이 달라지면

질량이 태양의 2배인 별의 주계열 수명은 대략 얼마일까? (태양 ≈ 100억 년)

읽기 2

별은 어떻게 태어나고, 무엇을 남기고 죽을까?

읽기 · 전주계열, 영년 주계열, 성간 물질로의 귀환

H–R도의 주계열은 별이 수소를 태우며 일생의 대부분을 보내는 곳이다. 그렇다면 주계열에 오기 전의 별과, 주계열을 떠난 뒤의 별은 H–R도의 어디에 있을까?

높음 ← 표면 온도 → 낮음 광도높음낮음 영년 주계열 (수소 핵융합 시작) 전주계열 (태양 질량) 전주계열 (태양의 5배 질량) 태양 (주계열) 적색 거성 행성상 성운을 만들고 중심핵만 남음 백색 왜성
파란 선은 별이 주계열에 오기 전의 경로, 붉은 선은 태양이 주계열을 떠난 뒤의 경로이다. 모양만 나타낸 모식이며, 실제 경로는 질량과 화학 조성에 따라 다르다.

1주계열에 오기까지

별은 차갑고 밀도가 높은 성간 구름(분자 구름)의 한 부분이 자기 중력으로 수축하며 시작한다. 수축하면서 중력 퍼텐셜 에너지가 열로 바뀌어 중심이 뜨거워지는데, 아직 핵융합이 일어나지 않고 주변 가스로 둘러싸인 단계를 원시별, 가스를 벗고 보이기 시작하여 계속 수축하는 단계를 전주계열성이라고 한다.

전주계열성은 표면적이 커서 광도가 높지만 수축하며 점점 어두워진다. 그래서 태양 질량 정도의 별은 H–R도에서 거의 수직으로 내려오다 왼쪽으로 꺾인다. 중심 온도가 약 1000만 K에 이르러 수소 핵융합이 시작되면 수축이 멈추고 별은 주계열에 자리를 잡으며, 막 핵융합을 시작한 별들을 이은 선을 영년 주계열이라고 한다. 무거운 별일수록 이 과정이 빨라서, 태양 질량의 별은 수천만 년이 걸리지만 태양의 5배 질량인 별은 100만 년 정도면 끝난다.

2주계열을 떠난 뒤

중심의 수소를 다 쓰면 별은 영년 주계열에서 멀어져 부풀어 오른다(후주계열). 태양 정도의 별은 적색 거성이 되었다가 바깥층을 부드럽게 우주로 날려 보내 행성상 성운을 만들고, 중심핵은 백색 왜성으로 남아 식어 간다. 반면 태양의 약 8배보다 무거운 별은 초거성이 된 뒤 초신성으로 폭발하고, 중심에는 중성자별이나 블랙홀이 남는다.

3성간 물질로 돌아가는 물질

별은 일생 동안 항성풍으로 물질을 조금씩 잃고, 마지막에는 행성상 성운이나 초신성 폭발로 많은 물질을 한꺼번에 우주로 돌려보낸다. 이 물질에는 별 속 핵융합으로 만들어진 탄소, 산소, 철 같은 무거운 원소가 섞여 있고, 돌아간 물질은 다시 성간 구름의 재료가 되어 다음 세대의 별과 행성이 그 속에서 태어난다. 그래서 태양계가 무거운 원소를 넉넉히 가진 것은 태양이 앞선 세대의 별들이 남긴 물질에서 태어났기 때문이다.

판단“별은 주계열을 따라 미끄러지며 진화한다”는 생각은 오개념이다. 별의 질량은 주계열에 있는 동안 거의 변하지 않으므로, 한 별은 주계열의 한 자리에 오래 머문다. 즉 주계열 위의 위치는 나이가 아니라 질량이 정한다.

확인조건이 달라지면

어느 성단의 H–R도를 그렸더니, 무거운 별들은 이미 영년 주계열 위에 있는데 태양보다 가벼운 별들은 주계열보다 오른쪽 위에 흩어져 있다. 이 성단에 대한 해석으로 알맞은 것은?

탐구 3

별의 밝기가 변하는 모양만 보고 무슨 일인지 알 수 있을까?

맥동 변광성, 식쌍성, 신성과 초신성의 광도 곡선
분류 · 밝기가 변하는 까닭
—
절대 등급 (알려진 관계로)
—
거리
—

광도 곡선의 모양은 대표적인 경향을 그린 모식이다. 세페이드의 주기–광도 관계는 M ≈ −2.43(log P − 1) − 4.05, Ia형 초신성의 최대 밝기는 M ≈ −19.3으로 두었고, 성간 소광은 무시했다.

  1. 질문밤하늘의 별 가운데에는 며칠 주기로 밝아졌다 어두워지기를 되풀이하는 별, 몇 시간 동안 푹 어두워졌다 돌아오는 별, 어느 날 갑자기 나타나 몇 주 동안 빛나다 사라지는 별이 있다. 밝기의 변화에서 무엇을 알 수 있을까?
  2. 복원별의 광도는 반지름의 제곱과 표면 온도의 네제곱에 비례한다. 그리고 무거운 별은 진화의 마지막에 초신성으로 폭발한다(지구과학).
  3. 설명시간에 따른 밝기 변화를 그린 것을 광도 곡선이라 한다. 맥동 변광성(세페이드, 거문고자리 RR형)은 별이 부풀었다 줄어들기를 되풀이하며 규칙적으로 밝기가 변하고, 빨리 밝아졌다 천천히 어두워지는 톱니 모양을 보인다. 식쌍성은 별 자체가 아니라 두 별이 서로를 가리며 어두워지는 것이고, 가린 동안만 평평하게 어두워진다. 폭발 변광성 가운데 신성은 백색 왜성 표면에 쌓인 수소가 폭발하는 것이고, 초신성은 별 전체가 폭발해 은하 하나만큼 밝아진다.
  4. 연결세페이드에는 주기가 길수록 밝다는 주기–광도 관계가 있어(리비트, 1912), 주기만 재면 절대 등급을 알 수 있는 표준 촛불이 된다. 백색 왜성이 한계 질량에 이르러 폭발하는 Ia형 초신성은 최대 밝기가 거의 같아 수십억 광년 떨어진 은하까지의 거리를 재는 데 쓰이며, 이 관측으로 우주의 가속 팽창이 발견되었다(2011년 노벨상). 또 초신성은 철보다 무거운 원소를 만들어 우주에 퍼뜨린다.
  5. 적용여섯 종류의 광도 곡선 모양을 비교해 보자. 세페이드의 주기를 3일, 30일로 바꾸며 절대 등급과 거리를 계산해 보자. Ia형 초신성의 최대 겉보기 등급이 20등급이면 얼마나 멀리 있을까?
  6. 판단‘신성(nova)’은 새로 태어난 별이라는 뜻이지만, 실제로는 원래 있던 어두운 별이 갑자기 밝아진 것이다. 또 세페이드에도 종류가 둘 있는데, 이를 구별하지 못해 20세기 중반까지 안드로메다은하까지의 거리를 절반쯤으로 잘못 알았다. 표준 촛불은 보정이 정확할 때만 믿을 수 있다.

확인조건이 달라지면

같은 은하에서 주기가 30일인 세페이드와 3일인 세페이드를 발견했다. 두 별의 평균 겉보기 등급을 비교하면?

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