기본 콘텐츠로 건너뛰기

우주 이야기 34 - HR 도표에 대한 간단한 설명





 HR 도표. 혹은 헤르츠스프룽 - 러셀 도표 (Hertzsprung-Russell diagram, H-R 도표, HRD) 는 항성의 분류나 혹은 항성의 진화와 구조를 이해하는 데 도움이 되는 도표이다. 사실 처음에 간단히 설명하고 넘어갔어야 했는데, 일단 지금 이 내용을 설명해야 이후의 포스팅에 도움이 될 듯 하여 간단히 설명하고 넘어가려고 한다. (주의 - 단 필자가 전공자는 아니기 때문에 혹시 오류가 있을 수도 있음. 참고만 하시기 바람. 오류 지적은 항상 환영합니다. )



 HR 도표는 1910년 덴마크의 엔야 헤르츠스프룽 (Ejnar Hertzsprung) 과 미국의 헨리 노리스 러셀 (Henry Norris Russell ) 이 각기 독자적으로 발견한 항성의 분류 도표이다. 이는 항성을  절대등급, 광도, 항성분류, 그리고 표면온도의 관계를 기준으로 분류한 것이다.


 최초에는 도표의 수평 방향으로 분광형 (Spectral type) 을 놓고 수직 축으로는 절대 등급을 표시했다. 오늘날에는 분광형 대신 색지수 (B-V colour index) 를 사용하는 경우도 많은데 이 경우 colour magnitude 도표라고 부르기도 한다.


 한편 항성의 표면 온도 (effective surface temperature) 와 광도 (luminosity) 를 표시한 경우도 있는데 이 경우 이론적으로 컴퓨터를 이용해서 좌표를 찾을 수 있으며 항성의 진화를 연구하는데 사용된다. 이를 temperature-luminosity 도표라고  부른다. 이 모든 경우를 아래 표시하면 다음과 같다.




(HR 도표. 한축에는 분광형 (spectral type) 색지수 (Colour (B-V)), 혹은 온도 (Temperature), 를 표시하고 다른 축에는 절대 등급 (Absolute magnitude) 와  광도 (Luminosity) 를 표시해서 상대적인 상관관계를 표시한다   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시  저자 Richard Powell  minor adjustments by:penubag)



 이렇게 도표를 그리고 항성들을 표시하면 대각선 방향으로 별들이 모여있는 것을 발견하게 된다. 좌측 상단에서 우측 하단에 이르는 대각선 방향으로 별이 모여 있는 곳을 바로 주계열성 (Main Sequence) 혹은 왜성 (dwarf) 라고 부른다. 주계열성의 윗쪽에는 거성들이 존재하고 있으며 반면 그 아래쪽에는 백색 왜성들이 존재한다.


 주계열성은 대개의 항성들이 가장 오랜 시간 머물게되는 상태로써 한마디로 항성이 태어나고 나서 한동한 수소 -> 헬륨 과정의 핵융합 반응을 통해 별이 빛나는 시기이다. 달리 이야기하면 하나의 항성이 태어나서 평생을 주계열성 단계에 있는 것이 아니라 인생의 대부분을 수소를 태우면서 주계열성 단계에서 지내다가 죽을 때가 되면 중심부의 수소가 고갈되고, 이후에는 헬륨이나 그보다 더 무거운 원소를 합성하면서 거성등으로 진화하면서 주계열성 단계를 벋어나게 된다는 것이다.


 주계열성에 해당되는 상태의 별들은 대개 질량에 따라 밝기가 변하는데, 보통 질량이 클수록 더 많은 수소를 연소시켜 더 밝게 빛나게 되고 표면 온도도 높아진다. 이런 별들은 대개 HR 도표상에서 좌측 상단에 위치하게 된다. 


 태양과 비슷한 질량의 별들은 도표의 중간에 위치하게 되는데, 이런 별들은 여러가지 물리적 특징이 태양과 비슷하게 된다. 대개 태양 질량의 1.5 배 이하 정도 되는 별들은 항성 중심의 핵융합 반응이 PP chain (proton - proton chain : 양성자 - 양성자 연쇄반응) 에 의해서 주도된다.


 그러나 항성 질량이 태양의 1.5 배 이상인 경우 탄소,질소,산소를 중간 매개물로 사용하는 CNO 순환 반응을 통해서도 수소 -> 헬륨의 핵융합 반응을 일으키게 된다. 따라서 태양 질량의 1.5 배 이상인 별들은 더 급격히 수소를 연소시키면서 타게 된다. 그리고 그 만큼 더 밝고 뜨겁게 빛난다. (양성자 양성자 연쇄 반응 빛 CNO 반응에 대해서는 http://blog.naver.com/jjy0501/100072204304 를 참조)


(PP 연쇄 반응과, CNO 순환, 그리고 트리플 알파 반응이 일어나는 항성 중심 온도의 도표를 나타낸 것. 단위는 100만 켈빈이다. 대략 태양처럼 1500만 켈빈인 경우 PP 연쇄 반응이 주된 반응이다. (세로축이 로그 스케일임을 감안하자) 그러나 1800만 켈빈으로 중심 온도가 오르면 CNO 순환도 주된 에너지 생산 방식이 된다  CCL 에 따라 동일 조건하 복사 허용 저자 표시   저자  Self-made by Xenoforme ates.wikipedia)



 여기서 한가지 설명할 것은 주계열성 상태의 별이 중심 온도와 크기를 유지하는 방법이다. 태양 질량의 8% 이상 되는 수소 가스 천체는 그 질량으로 인해 중심이 압축되고 온도가 올라가면서 중심부에서 핵융합 반응이 일어나게 된다. 핵융합 반응이 일어나면 그 에너지에 의해 별은 팽창하고 빛나게 된다.


 만약 별의 중심부에서 더 많은 에너지가 발생되면 별이 팽창하면서 중심부 압력이 떨어지고 따라서 핵융합 반응은 감소하게 된다. 반대로 핵융합 반응이 감소해서 에너지가 감소하면 별이 압축되어 중심부 압력이 높아져 핵융합 반응이 증가한다. 별은 이와 같은 피드 백 반응을 통해 중심부 수소가 고갈될 때 까지 안정적으로 연소되면서 주계열성 상태를 유지하게 되는 것이다.


 한편 질량이 작은 별들의 경우 HR 도표에서 우측 하단에 위치하게 된다. 대표적인 별들은 적색 왜성으로 이들은 사실 주계열성들 가운데 가장 흔한 별들이라고 할 수 있다. 적색 왜성에 대해서는 이전 포스트인  http://blog.naver.com/jjy0501/100088672521  를 참조하시기 바란다. 아무튼 항성의 질량이 낮으면 중심부의 압력과 온도가 낮아 핵융합 반응이 매우 느리게 나타나 차갑고 어둡지만 매우 길게 주계열 상태로 머물 수 있는 별이 된다.



 이와 같이 주계열성들은 질량에 따라 그 밝기와 표면온도가 극단적으로 차이가 나게 된다. 무거운 별들은 수소를 빨리 연소시켜 매우 밝게 빛나며 표면 온도도 매우 뜨겁다. 그 대신 연료를 빨리 태우기 때문에 연료로 쓸 수소가 많음에도 불구하고 곧 중심부 연료를 다 태우고 주계열 상태를 벋어나 거성단계로 이동한다.


 반면에 가벼운 별들은 수소가 매우 천천히 연소되어 차갑고 어둡지만 아주 오래 사는 별이 된다. 태양 질량의 10% 이 별의 경우 그 수명은 태양의 1000배인 10조 년이 될 수도 있다. 반면 태양 질량의 2배 정도 밖에 안되는 시리우스는 그 예상 수명이 태양의 10분의 1인 10억년 정도이다.


 한편 HR 도표에서 중요한 포인트 가운데 하나인 분광형 (spectral type) 에 대해서 알아보자. 분광형에 대한 연구는 19세기에 망원경으로 별빛을 분광기로 분산시켜 얻은 스펙트럼이 별마다 차이가 있음을 알게 된데서부터 시작되였다.


 20세기 초에 이르면 HD 분류법이 나왔는데 이는 스펙트럼 분석에서 얻은 수소 발머 흡수선의 세기에 차이를 보고 가장 강한 것을 A 로 놓고 Q까지 그 세기에 따라 별들의 스펙트럼을 분석한 것이다. (나중에 Q 와 P 는 잘못된 것으로 알려져 사라졌다) 그런데 훗날 별들의 표면 온도를 분석해 보니 표면온도에 따라 분광형이 사실은 OBAFGKM 의 순서가 되야 함이 밝혀졌다. (영어권에서는 이를  "OBA FineGirl/Guy, Kiss Me" 로 암기한다고 한다. 나중에 여기에 W/R/N/S 등이 더해져 Wow! Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me Right Now Sweetie 로 족보가 더 길어졌다)


 오늘날에는 이렇게 표면 온도와 분광형이 밀접한 관계를 가진다고 할 수 있는데, 이를 좀 더 세밀히 나누기 위해서 알파벳 표시 뒤에 0에서 9까지 숫자를 표시해서 온도의 차이를 표시한다. 0 아 가장 뜨겁고 9가 가장 낮다고 할 수 있다. 예를 들어 태양은 G2 이다. 보통 표시할 때는 주계열성 상태임을 표시하는 V 를 붙여 G2V 하는 식으로 표시한다.



분광형표면온도통상적인 색겉보기 색질량반경광도수소선모든 주계열성들 중 차지하는 비율
W≥60,000 K청색청색≥15 M≥6 R≥100,000L매우 약함 (헬륨의 선이 나타남)주계열성이 아님
O30,000ㅡ60,000 K청색청색12ㅡ30M6ㅡ20R30,000ㅡ1,400,000L약함0.000002%
B10,000–30,000 K청색-백색청백색-백색2.1ㅡ12M1.8ㅡ6R25ㅡ30,000L중간0.013%
A7,500–10,000 K백색백색1.4ㅡ2.1M1.4ㅡ1.8 R5ㅡ25 L강함0.11%
F6,000–7,500 K백색-노랑색백색1.03ㅡ1.4 M1.15ㅡ1.4 R1.5ㅡ5 L중간1%
G5,200–6,000 K노랑색노랑색0.8ㅡ1.03 M0.96ㅡ1.15 R0.6ㅡ1.5 L약함2.5%
K3,700–5,200 K오렌지색노랑-오렌지색0.45ㅡ0.8 M0.7ㅡ0.96 R0.08ㅡ0.6L매우 약함6.7%
M2,000ㅡ3,700 K적색오렌지-적색0.08ㅡ0.45 M0.2ㅡ0.7 R0.01ㅡ0.08L매우 약함88.677%
L1300ㅡ2000 K적색-갈색적색0.02-0.08 M0.1-0.2R0.001ㅡ0.01L매우 약함0.6%
T700ㅡ1300 K갈색갈색<0.02M<0.2 R<0.001 L매우 약함0.4%
Y<700 K갈색-고동색고동색-흑색<0.02M<0.2 R<0.001 L매우 약함0.000001%
(분광형과 표면온도, 색, 질량, 반지름, 광도와의 관계 - 이 표는 주계열성 상태일 경우에만 유효함. 여기서 질량/반경/광도 (M/R/L) 의 기준은 태양의 질량, 반지름, 밝기를 1로 본 것임   출처 : 위키)


(분광형에 따른 별들의 상대적인 크기와 색의 변화   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  Kieff )



 앞으로 포스팅에서는 일단 주계열 상태인 별들의 표면 온도와 광도에 따라 설명해 볼까 하는데 가장 극단적인 상태라고 할 수 있는 울프 레이에별 (Wolf-Rayet stars ) 혹은 분광형 W/WR 에 대해서 설명해볼 예정이다.




출처 : Wiki


댓글

이 블로그의 인기 게시물

세상에서 가장 큰 벌

( Wallace's giant bee, the largest known bee species in the world, is four times larger than a European honeybee(Credit: Clay Bolt) ) (Photographer Clay Bolt snaps some of the first-ever shots of Wallace's giant bee in the wild(Credit: Simon Robson)  월리스의 거대 벌 (Wallace’s giant bee)로 알려진 Megachile pluto는 매우 거대한 인도네시아 벌로 세상에서 가장 거대한 말벌과도 경쟁할 수 있는 크기를 지니고 있습니다. 암컷의 경우 몸길이 3.8cm, 날개너비 6.35cm으로 알려진 벌 가운데 가장 거대하지만 수컷의 경우 이보다 작아서 몸길이가 2.3cm 정도입니다. 아무튼 일반 꿀벌의 4배가 넘는 몸길이를 지닌 거대 벌이라고 할 수 있습니다.   메가칠레는 1981년 몇 개의 표본이 발견된 이후 지금까지 추가 발견이 되지 않아 멸종되었다고 보는 과학자들도 있었습니다. 2018년에 eBay에 표본이 나왔지만, 언제 잡힌 것인지는 알 수 없었습니다. 사실 이 벌은 1858년 처음 발견된 이후 1981년에야 다시 발견되었을 만큼 찾기 어려운 희귀종입니다. 그런데 시드니 대학과 국제 야생 동물 보호 협회 (Global Wildlife Conservation)의 연구팀이 오랜 수색 끝에 2019년 인도네시아의 오지에서 메가칠레 암컷을 야생 상태에서 발견하는데 성공했습니다.   메가칠레 암컷은 특이하게도 살아있는 흰개미 둥지가 있는 나무에 둥지를 만들고 살아갑니다. 이들의 거대한 턱은 나무의 수지를 모아 둥지를 짓는데 유리합니다. 하지만 워낙 희귀종이라 이들의 생태에 대해서는 거의 알려진 바가 없습니다.  (동영상)...

몸에 철이 많으면 조기 사망 위험도가 높다?

 철분은 인체에 반드시 필요한 미량 원소입니다. 헤모글로빈에 필수적인 물질이기 때문에 철분 부족은 흔히 빈혈을 부르며 반대로 피를 자꾸 잃는 경우에는 철분 부족 현상이 발생합니다. 하지만 철분 수치가 높다는 것은 반드시 좋은 의미는 아닙니다. 모든 일에는 적당한 수준이 있게 마련이고 철 역시 너무 많으면 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 철 대사에 문제가 생겨 철이 과다하게 축적되는 혈색소증 ( haemochromatosis ) 같은 드문 경우가 아니라도 과도한 철분 섭취나 수혈로 인한 철분 과잉은 건강에 문제를 일으킬 수 있습니다. 하지만 높은 철 농도가 수명에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려지지 않았습니다.   하버드 대학의 이야스 다글라스( Iyas Daghlas )와 임페리얼 칼리지 런던의 데펜더 길 ( Dipender Gill )은 체내 철 함유량에 영향을 미치는 유전적 변이와 수명의 관계를 조사했습니다. 연구팀은 48972명의 유전 정보와 혈중 철분 농도, 그리고 기대 수명의 60/90%에서 생존 확률을 조사했습니다. 그 결과 유전자로 예측한 혈중 철분 농도가 증가할수록 오래 생존할 가능성이 낮은 것으로 나타났습니다. 이것이 유전자 자체 때문인지 아니면 높은 혈중/체내 철 농도 때문인지는 명확하지 않지만, 높은 혈중 철 농도가 꼭 좋은 뜻이 아니라는 것을 시사하는 결과입니다.   연구팀은 이 데이터를 근거로 건강한 사람이 영양제나 종합 비타민제를 통해 과도한 철분을 섭취할 이유는 없다고 주장했습니다. 어쩌면 높은 철 농도가 조기 사망 위험도를 높일지도 모르기 때문입니다. 그러나 임산부나 빈혈 환자 등 진짜 철분이 필요한 사람들까지 철분 섭취를 꺼릴 필요가 없다는 점도 강조했습니다. 연구 내용은 정상보다 높은 혈중 철농도가 오래 유지되는 경우를 가정한 것으로 본래 철분 부족이 있는 사람을 대상으로 한 것이 아니기 때문입니다. 낮은 철분 농도와 빈혈이 건강에 미치는 악영향은 이미 잘 알려져 있기 때문에 철...

사막에서 식물을 재배하는 온실 Ecodome

 지구 기후가 변해가면서 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리지만 반대로 비가 적게 내리는 지역도 생기고 있습니다. 일부 아프리카 개도국에서는 이에 더해서 인구 증가로 인해 식량과 물이 모두 크게 부족한 현상이 지속되고 있습니다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 아이디어들이 나오고 있는데, 그 중 하나가 사막 온실입니다.   사막에 온실을 건설한다는 아이디어는 이상해 보이지만, 실제로는 다양한 사막 온실이 식물재배를 위해서 시도되고 있습니다. 사막 온실의 아이디어는 낮과 밤의 일교차가 큰 사막 환경에서 작물을 재배함과 동시에 물이 증발해서 사라지는 것을 막는데 그 중요한 이유가 있습니다.   사막화가 진행 중인 에티오피아의 곤다르 대학( University of Gondar's Faculty of Agriculture )의 연구자들은 사막 온실과 이슬을 모으는 장치를 결합한 독특한 사막 온실을 공개했습니다. 이들은 이를 에코돔( Ecodome )이라고 명명했는데, 아직 프로토타입을 건설한 것은 아니지만 그 컨셉을 공개하고 개발에 착수했다고 합니다.   원리는 간단합니다. 사막에 건설된 온실안에서 작물을 키움니다. 이 작물은 광합성을 하면서 수증기를 밖으로 내보네게 되지만, 온실 때문에 이 수증기를 달아나지 못하고 갖히게 됩니다. 밤이 되면 이 수증기는 다시 응결됩니다. 그리고 동시에 에코돔의 가장 위에 있는 부분이 열리면서 여기로 찬 공기가 들어와 외부 공기에 있는 수증기가 응결되어 에코돔 내부로 들어옵니다. 그렇게 얻은 물은 식수는 물론 식물 재배 모두에 사용 가능합니다.  (에코돔의 컨셉.  출처 : Roots Up)   (동영상)   이 컨셉은 마치 사막 온실과 이슬을 모으는 담수 장치를 합쳐놓은 것이라고 말할 수 있습니다. 물론 실제로도 잘 작동할지는 직접 테스트를 해봐야 알 수...