나뭇잎 교과서

성간 소광과 성간 티끌

은하수 곳곳에는 별이 없는 것처럼 보이는 검은 틈이 있습니다. 별이 없는 것이 아니라 무언가가 빛을 가리고 있습니다. 별과 별 사이는 완전히 비어 있지 않습니다.

먼저 알면 좋은 것 별의 색과 온도빛의 산란
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성간 소광과 성간 티끌

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어두운 곳에서 은하수를 보면 빛의 띠 한가운데에 검게 갈라진 틈이 보인다. 옛사람들은 그곳에 별이 없다고 생각했다. 그런데 적외선 망원경으로 같은 곳을 보면 별이 빽빽하게 드러난다. 별이 없던 것이 아니라 무언가가 빛을 가리고 있었던 것이다. 무엇이 별빛을 가리며, 그것을 모르고 거리를 재면 어떤 잘못이 생길까?

그림 1. 실제 거리 1000 pc인 별의 빛이 성간 티끌을 지나며 어두워지는 정도와, 소광을 모르고 밝기만으로 거리를 잴 때의 값. 소광이 2등급이면 빛의 16%만 도착하고 거리를 2.5배로 잘못 잰다.
먼저 알아야 할 것별의 색과 온도(지구과학), 빛의 산란, 거리 지수(별까지의 거리), 성단과 우리은하(성단의 C–M도와 우리은하).

3.2.1성간 소광과 적색화

별과 별 사이의 공간에는 아주 희박한 기체와 함께 크기가 0.1 μm 정도인 작은 티끌이 떠 있다. 티끌은 별빛을 흡수하고 산란시켜 별을 실제보다 어둡게 보이게 한다. 이를 성간 소광이라 한다. 티끌은 파장이 짧은 파란빛을 더 많이 산란시키므로, 티끌을 지나온 별빛은 붉어진다. 이를 성간 적색화라 하며, 해 질 녘 하늘이 붉은 것과 비슷한 원리이다.

정리 3.2.1 소광과 거리 지수

소광량을 \(A\)등급이라 하면 거리 지수는 \[m - M = 5\log d - 5 + A\] 가 된다. 소광은 별을 붉게 하므로, 별의 원래 색과 관측된 색의 차이인 색 초과 \(E(B - V)\)를 재면 \(A \approx 3.1E(B - V)\)로 소광량을 구할 수 있다.

그림 1에서 소광량을 바꾸어 보자. 소광 1등급이면 빛이 약 40%, 5등급이면 1%만 도착한다. 소광을 모르고 밝기만으로 거리를 재면 별이 실제보다 \(10^{A/5}\)배 멀게 나온다. 20세기 초 천문학자들은 이 효과를 몰라 우리은하의 크기와 태양의 위치를 잘못 추정하기도 했다.1

3.2.2적외선으로 꿰뚫어 보기

티끌은 자기 크기보다 파장이 훨씬 긴 빛은 잘 막지 못한다. 그래서 적외선이나 전파는 티끌 구름을 대부분 통과한다. 은하 중심 쪽은 가시광선으로는 소광이 30등급에 이르러 아무것도 보이지 않지만, 적외선으로는 중심의 별들과 거대 블랙홀 둘레를 도는 별들까지 관측된다. 티끌 구름은 새 별이 태어나는 곳이기도 하여, 적외선 망원경은 구름 속에서 막 태어나는 별을 본다.

빛티끌 구름을 지나면관측 파란빛많이 흡수·산란거의 안 보임 빨간빛덜 흡수어둡고 붉게 보임 적외선, 전파대부분 통과구름 속까지 보임
그림 2. 파장이 길수록 티끌을 잘 통과한다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

어떤 별의 분광형으로 보아 원래 색지수 \((B - V)_0\)는 0.0인데 관측값은 0.65이다. 이 별의 절대 등급은 1.0, 겉보기 등급은 13.0이다. 소광량을 구하고, 소광을 고려한 거리와 고려하지 않은 거리를 비교하여라.

색 초과는 \(E(B - V) = 0.65 - 0.0 = 0.65\)이므로 소광량은 \(A \approx 3.1 \times 0.65 \approx 2.0\)등급이다.

소광을 고려하면 \(5\log d - 5 = 13.0 - 1.0 - 2.0 = 10\)에서 \(d = 1000\) pc이다. 고려하지 않으면 \(5\log d - 5 = 12\)에서 \(\log d = 3.4\), 곧 \(d \approx 2500\) pc로 2.5배 멀게 잰다. 그래서 별까지의 거리를 잴 때는 밝기뿐 아니라 색까지 재어 소광을 보정한다. 즉 별빛이 붉어진 정도가 그 사이에 놓인 티끌의 양을 알려 준다. 은하면 방향의 별은 소광이 커서 대부분 이 보정이 필요하다.

아래 탐구 카드에서 은하수의 검은 틈에 별이 정말 없는지 직접 따져 보자.

  1. 성간 티끌은 별의 바깥층에서 흘러나오거나 초신성 폭발로 흩어진 규산염과 탄소 알갱이이다. 우리 몸과 지구를 이루는 원소도 이런 티끌을 거쳐 왔다.
마무리

성간 티끌은 별빛을 흡수하고 산란시켜 별을 어둡게(소광), 붉게(적색화) 보이게 하며, 거리 지수에 소광량 \(A\)가 더해진다. 색 초과로 소광량을 구해 보정하고, 적외선으로는 티끌 구름 너머를 볼 수 있다. 그래서 처음 질문의 은하수의 검은 틈에는 별이 없는 것이 아니라, 앞을 가린 성간 티끌 구름 뒤에 별이 숨어 있다.

탐구 1

은하수의 검은 틈에는 정말 별이 없을까?

성간 소광과 적색화 · 성간 티끌
V 파장에서 남은 빛
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색초과 E(B−V) ≈ AV/3.1
—
소광을 모르고 거리 지수로 구하면
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소광량이 파장에 반비례한다(Aλ ≈ AV × 0.55 μm/λ)고 단순화했다. 실제 소광 곡선은 자외선에서 더 복잡하며, 별빛 스펙트럼은 흑체로 두었다.

  1. 질문은하수를 사진으로 찍으면 별이 빼곡한 띠 사이로 검은 틈과 얼룩이 보인다. 처음에 천문학자들은 이곳에 별이 없다고 생각했다. 정말 그럴까?
  2. 복원작은 입자는 짧은 파장의 빛을 더 잘 산란시키는데, 하늘이 파랗고 노을이 붉은 까닭이 이것이다. 그리고 별의 색지수(B−V)는 표면 온도를 알려 준다.
  3. 설명별과 별 사이에는 기체와 함께 크기가 0.1 μm 정도인 규산염·탄소 알갱이, 곧 성간 티끌이 있다. 티끌은 별빛을 흡수하고 산란시켜 별을 어둡게 하는데, 이를 성간 소광이라 한다. 티끌 알갱이는 빛의 파장과 크기가 비슷해 파란빛을 더 많이 가리므로, 티끌을 지난 별빛은 실제보다 붉게 보인다(성간 적색화). 그래서 분광형으로 알아낸 원래 색과 관측한 색의 차이(색초과)로 소광량을 추정할 수 있다.
  4. 연결1930년 트럼플러는 먼 산개 성단일수록 크기로 구한 거리보다 밝기로 구한 거리가 더 멀게 나오는 것을 보고, 별 사이 공간에 빛을 흡수하는 물질이 있음을 밝혔다. 적외선과 전파는 티끌을 잘 통과하므로, 제임스 웹 같은 적외선 망원경은 티끌에 가려진 은하 중심과 별이 태어나는 구름 속을 본다. 성간 티끌은 새로운 별과 행성의 재료이기도 하다.
  5. 적용소광량을 늘리며 별이 어두워지고 붉어지는 정도를 보자. B형 별이 AV = 3등급만큼 가려지면 어떤 색으로 보일까? 소광을 무시하고 거리를 구하면 실제보다 가깝게 나올까, 멀게 나올까?
  6. 판단성간 적색화와 우주 팽창의 적색 편이는 전혀 다르다. 적색화는 파란빛이 더 많이 가려져 스펙트럼의 모양이 바뀌는 것이고, 흡수선의 파장은 그대로이다. 반면 적색 편이는 흡수선을 포함한 스펙트럼 전체가 긴 파장 쪽으로 옮겨 가는 것이다(허블 법칙과 우주 팽창).

확인조건이 달라지면

소광량 AV = 5등급인 별을 소광을 무시하고 거리 지수로 거리를 계산하면, 실제 거리의 몇 배로 나올까?

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