성단의 C–M도와 우리은하

플레이아데스성단은 푸르고 밝은 별이 반짝이는 젊은 성단이고, 구상 성단은 누렇고 붉은 별 수십만 개가 공처럼 모인 늙은 성단이다. 성단의 별들은 거의 같은 때, 같은 거리에서 태어났다. 그렇다면 성단 별들의 색과 밝기를 그래프로 그리기만 해도 성단의 나이와 거리를 알 수 있지 않을까? 그리고 성단의 분포는 우리은하의 모양을 어떻게 알려 줄까?

성단의 나이 (10의 거듭제곱 년)

3.1.1C–M도와 전향점

성단 별들의 색(온도)을 가로축, 겉보기 등급을 세로축으로 그린 그림을 색–등급도(C–M도)라 한다. 성단의 별은 거리가 같으므로 C–M도는 거리만큼 위아래로 밀린 H–R도와 같다. 갓 태어난 성단에서는 별들이 모두 주계열에 놓인다. 그런데 무거운 별일수록 연료를 빨리 써서 먼저 주계열을 떠나 거성이 된다. 그래서 시간이 지날수록 주계열의 위쪽 끝부터 별이 사라지고, 주계열이 꺾여 거성 쪽으로 이어지는 점이 생긴다. 이 점을 전향점이라 한다.

그림 1에서 나이를 바꾸어 보자. 1억 년인 플레이아데스는 태양의 약 6배 질량인 B형 별에서 꺾이고, 100억 년이 넘는 구상 성단은 태양보다 가벼운 별에서 꺾인다. 그래서 구상 성단에는 푸른 주계열성이 없고 붉은 거성이 많다.¹

3.1.2성단과 우리은하

산개 성단은 수백~수천 개의 젊은 별이 느슨하게 모인 것으로, 우리은하의 원반 안에 있다. 구상 성단은 수십만 개의 늙은 별이 공처럼 빽빽하게 모인 것으로, 은하 중심을 둘러싼 공 모양의 헤일로에 퍼져 있다. 1918년 섀플리는 구상 성단의 분포가 궁수자리 쪽에 치우쳐 있음을 보고, 태양이 은하 중심이 아니라 가장자리 쪽에 있다는 것을 밝혔다.

3.1.3예제 풀이

나이는 \(10^{10} \times 2^{-2.5} = \dfrac{10^{10}}{5.66} \approx 1.8 \times 10^9\)년, 곧 약 18억 년이다.

표준 주계열은 절대 등급으로 그린 것이므로, 10등급 차이는 거리 지수 \(m - M = 10\)이다. \(5\log d - 5 = 10\)에서 \(\log d = 3\), 곧 \(d = 1000\) pc이다. 즉 성단 별들의 색과 밝기를 그린 그림 한 장에서, 꺾이는 점으로 나이를, 위아래 어긋남으로 거리를 동시에 읽어 낼 수 있다.

아래 탐구 카드에서 성단 사진 한 장으로 나이와 거리를 직접 구해 보자.

1. 질량이 태양의 0.8배보다 작은 별은 주계열 수명이 우주의 나이보다 길다. 그래서 지금까지 태어난 그런 별은 모두 아직 주계열에 있다.