적색초거성: 청색초거성, 중성자별, 초신성

늘 적색초거성에 대하여

궁금했었는데요

그래서 이번에는

적색초거성에 대하여

알아보려고 합니다.

 

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1.   적색 초거성이란 무엇일까요?

 

적색 초거성은 일반적으로 질량이 태양의 8배 이상에서 25배까지의 거대한 별이 중심핵에서 수소를 다 태우고 말년에 나타나는 단계입니다.

상상이 가십니까? 태양계에서 가장 큰 항성인 태양보다 8배에서 25배라는 거대한 크기가? 태양은 지구보다 33만배가 큰 항성인데 다시 그런 태양보다 8~25배이상 크다면 제게 그 크기는 상상불가입니다.

 

이 수치는 넓게 보면 5배 이상의 경우도 초거성으로 보기도 하지만 이정도 질량으로는 초신성이 되기보다는 백색왜성이 되기 때문에, 적색 거성으로 보는 경우가 일반적입니다. 생애를 마치고 적색 초거성이 된 별은 중심핵에 철을 생성하고 초신성폭발을 하게 됩니다.

참고로 태양은 이에 못미치기 때문에 적색거성의 단계에 머무를 것이라고 예측하고 있습니다.

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2.   적색거성의 특징

 

1)  적색초거성의 크기

 

적색초거성은 이미 생애의 마지막 입니다. 따라서 수명은 불과 100만~500만년 정도로 매우 짧으며 질량에 비해 부피가 엄청나게 불어나, 보통 태양 반지름의 700~1500배에 이르는 크기를 보여줍니다.

2)   적색초거성의 온도

 

분광형은 K, M이므로 표면온도는 2500~5273K의 온도 분포를 보여줍니다.

3)   적색초거성이 되는 과정

 

①  별이 수소를 모두 태우고 나면 더 이상 태울 연료가 없기 때문에 중심핵은 수축하고 표면은

     크게 부풀어 오르게 됩니다.

 

②  헬륨을 태우면서 부푸는 것을 멈추고 일시적으로 황색 초거성이나 분광형 B 하위권의 청색

     초거성을 거치게 됩니다.

 

③  헬륨이 고갈되면 본격적으로 크게 부풀어 적색 초거성이 되는데 태양 질량의 20배의 별의

     경우, 이 때 태양의 1200~1500배의 지름을 보여줍니다.

 

④  다만 적색초거성은 질량에 비해 너무나 크게 부풀기 때문에 둥근 형태를 유지하지 못하고

     울퉁불퉁한 구 형태가 유지되는데 밀도가 극도로 낮고 질량 방출이 매우 심하기 때문입니다.

 

⑤  참고로 적색초거성의 밀도는 적색거성이나 청색거성보다 훨씬 낮은 우주에 있는 천체들 중에서

     가장 밀도가 낮은 천체에 속합니다. 물론 성간 물질은 제외합니다.

 

⑥  질량이 태양의 25배가 넘는 별들은 질량방출로 인한 항성풍이 대단해서 적색 초거성 단계를

     밟을 정도로 표면온도가 내려가지 않으며, 적색 초거성으로 단계를 밟는다 하더라도 매우 짧게

     밟게 됩니다.

 

     거의 청색 혹은 황색 초거성 상태로 노년을 보내다가 말년에 볼프-레이에별 단계를 거치게 된

     후 초신성 폭발 후 태어났을 때 중원소 함유량이 매우 낮은 별들은 블랙홀로, 중원소 함유량이

     비교적 높은 별은 중성자별로 변합니다. 태양의 중원소 함량과 동일한 별이 블랙홀로 변하려면

     태양 질량의 28배가 되어야 합니다.

     적색 초거성이 마지막 생애를 마치고 폭발하면 초신성이 되어 남은 에너지를 방출한 뒤 

     중성자별이 됩니다.

 

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3.   적색 초거성 베델게우스

 

1)  베델게우스 / Betelgeuse 란 무엇일까요?

베텔게우스는 지구에서 640광년 떨어져 있는 적색초거성입니다.

오리온자리의 알파성이기도 합니다. 실제로 오리온자리에서 가장 밝은 별은 리겔이며,  베텔게우스가 변광성이기 때문에 리겔보다 밝아질 때가 있을 뿐입니다. 평균 실시등급은 0.42이며, 반규칙 변광성으로 실시등급이 0.2에서 1.2까지 바뀝니다. 또한, 밤하늘에서 11번째로 밝은 별이기도 합니다.

 

2)   베델게우스의 특징

 

①  베델게우스는 태양 이외에 처음으로 지름을 측정한 항성이기도 합니다. 그 반지름은

     대략 3.6 AU 정도입니다. 수치가 들쑥날쑥해서 정확하지는 않은데, 그 이유는 베텔게우스가

     적색초거성이라 밀도가 낮아 보통 별보다 주연감광 효과가 큰 데다가 별이 뿜어낸 가스가

     주변을 둘러싸고 있기 때문입니다.

 

     더구나 베텔게우스는 팽창과 수축을 반복하기 때문에 지름이 수시로 변합니다. 크기도 매우

     크고 거리도 적절히 가까이 있어 태양을 제외한 항성들 중에서 점광원으로 보이지 않고 둥근

     형체가 식별되는 것은 베텔게우스가 거의 유일합니다.

 

     또한 표면에 허블망원경, 칠레의 VLT 등의 관측을 통해 표면에 흑점이 존재하는 것 또한

     확인되었습니다.

②  처음 태어났을 때는 질량이 태양의 20배였다고 추측하고 있습니다. 어마어마한 질량방출로

     지금은 태양의 11배 정도로 줄어들었을 것으로 추정하지만, 주변에 비교할만한 항성이나 행성이

     발견되지 않았기 때문에 그렇게 정확하지는 않습니다. 천체의 질량 추정은 근처에 있는 다른

     천체와의 비교를 통해서 가능하기 때문에 비교할 만한 항성이나 행성이 발견되지 않았기 때문에

     정확한 크기를 알 수는 없습니다.

 

  예를 들어 바로 옆에 비슷한 천체가 있거나 일반적인 쌍성은 질량을 구하기가 정말 쉬운데, 공전

   주기와 그 항성까지의 거리만 알면 만유인력의 법칙과 케플러의 법칙을 이용해 간단하게 질량을

   구할 수 있습니다.

 

③  베텔게우스의 나이는 730만 년 내외로 꽤 짧은데 벌써 소멸을 준비하는 까닭은 질량이

    클수록 항성의 에너지 소모가 빨라 그만큼 수명이 짧아지기 때문입니다. 얼핏 생각해

    보면 항성의 질량이 크다면 태울 수 있는 연료의 양 또한 많아지니 오히려 수명이 늘어나야

    하지 않냐고 생각할 수도 있지만, 연료의 양이 많아지는 것 이상으로 소모량은 훨씬 더

    큰 폭으로 늘어납니다.

    편차가 크긴 하지만 일반적으로 별의 질량이 m배 증가한다고 할 때 별의 광도는 m3배 정도

    스케일로 증가하게 된다고 합니다.

    예를 들어 우리 은하 중심부 궁수자리에 위치한 피스톨 별(Pistol star)이라는 항성의 질량은

    태양의 약 120배 정도이지만, 내뿜는 에너지는 태양의 200만 배 이상입니다. 이는 태양이

    1년간 방출하는 에너지를 피스톨 별은 불과 15초 만에 방출하는 수준과 같습니다(LBV.) 

    이와 같은 엄청난 에너지 소비량 때문에 피스톨 별은 100~300만 년 이내에 연료를 다 쓰고 

    초신성이 될 것이라고 예측하고 있습니다.

 

④  태양의 예측 수명인 100억 년과 비교해 보면 이런 별들은 정말 굵고 짧은 인생을 산다고 할 수

     있겠습니다

    한편, 천문학에서는 꽤 중요한 자료를 제공해준 고마운 항성이기도 하다. 인류가 알고 있는 

    적색거성과 적색초거성에 대한 지식은 거의 다 베텔게우스를 연구해서 얻은 것입니다.

 

2)  초신성 베텔게우스가 폭발

베텔게우스가 폭발한다면?

어떻게 될까요?

 

①  현재 베텔게우스는 적색초거성 상태로 질량이 점점 줄어들고 있습니다. 따라서 수백만 년 내에는

    폭발할 것이 분명합니다.

②  베텔게우스가 폭발한다고 해도 현재 자전축이 지구를 향하고 있지 않아 위험하지 않을 것으로

     예측하고 있습니다. 폭발 시 대규모로 방출되는 자외선이나 감마선은 거리가 멀어 지구에

     도달하지 못할 것입니다. 그러니 베텔게우스 때문에 지구가 멸망할 일은 없습니다.

 

③  폭발 이후 수백 년 뒤, 지구에서는 2~3개월간 지금보다 훨씬 밝아졌다가 점차 어두워지는

    베텔게우스를 확인할 수 있을 것입니다.

 

④  밤하늘에서는 보름달보다 밝을 것 (겉보기등급 -12~-14등성급)이며, 대낮에도 잘 보일 것으로

     보입니다. 붕괴한 뒤에는 지름 20km 정도의 중성자별이 되며, 된다면 수천 년 동안 감마선을

     방출할 것입니다.

 

⑤  최근에는 베텔게우스가 베타성인 리겔(라이젤)보다 훨씬 어두워지자 천문학자들은 2020년 2월

     초까지 밝기가 회복되지 않는다면 이번 세기 내에 폭발이 관측될 가능성이 높다고 밝혔습니다.

     그러나 실제 전문가들은 베텔게우스의 초신성 폭발은 10만 년 이내에 일어날 가능성이 크므로

     실제로는 초신성 폭발이 곧 일어나지 않을 것이라고 보고 있습니다.

 

⑥  2020년 2월 중반에 최대로 어두운 밝기를 유지하더니, 2월 22일 이후로는 조금씩 밝기가 회복

    되기 시작하였습니다. 또한 베텔게우스를 자세히 관찰한 결과, 초신성 폭발의 조짐 등이 거의

    보이지 않는다는 것을 확인하였습니다.

 

⑦  202년 6월 경 정상 수준의 밝기를 회복했습니다.
    밝기가 어두워진 이유는 거대한 흑점 때문이라는 연구결과가 나왔습니다.
    베텔게우스 같은 적색 초거성은 태양에 비해 흑점이 매우 거대합니다.

 

⑧  별 자체 내부의 이유로 베텔게우스의 밝기가 어두워졌다는 연구결과가 나왔습니다.

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4.   적색 초거성 전갈자리의 알파성, 안타레스

1) 지구와는 600광년 정도 떨어져 있다. 겉보기 등급은 1.06, 절대 등급은

    -5.28~ -5.58로  밤하늘에서 16번째로 밝은 별이자, 절대 등급이 4번째로

     높은 별입니다. 

 

2)   태양보다 대략 700~800배 정도 크고, 태양보다 10,000배 이상 더 밝은 적색초거성으로

     절대등급이 -5.28~ -5.58입니다. 밤하늘에서 두 번째로 밝은 카노푸스의 절대 등급과 비슷하며,

     밤하늘에서 가장 밝은 시리우스의 500배 이상 밝은 절대 등급입니다. 가시광선 영역에서 이 별은

     태양 밝기의 약 1만 배이지만, 에너지의 대부분을 적외선 영역에서 발산하는 적색 초거성임을

     고려하면, 안타레스는 태양의 6만 5천 배 이상의 복사 에너지를 뿜는다고 할 수 있습니다.

3) 안타레스는 분광형 M형의 적색 초거성으로, 반지름은 태양의 700~883배에 이르는데, 지구와

   거리가 멀어서 측정 오차값이 큽니다. 이보다 큰 별들을 극대거성이라 합니다.

4) 이 별은 수명이 얼마 남지 않은 별인데 그 영향으로 하늘에서 유달리 붉은 빛을 띕니다. 그 때문에

    군신 아레스에 대응되는 화성과 경쟁하는 별이란 의미에서 아레스를 대적하는 자, Ant- + Ares =

    Antares란 이름이 붙게 되었습니다.

5) 흔히 말하는 안타레스는 안타레스 A. 쌍성계이며 동반성인 안타레스B의 밝기는 A의 1%도 안되지만

   태양보다 150배 이상 밝습니다. 서로간의 거리는 550AU정도가 됩니다

6) 대기가 지름의 12배에 다합니다.

7) 선명하고 아름다운 붉은색으로 잘 알려져 있는 별입니다. 붉은색으로 보이는 별들은 많이 있지만

   안타레스만큼 선명하고 아름다운 붉은 별은 그리 많지는 않습니다. 때문에 적색거성 중에서도 특히

   인지도가 높고 이미지도 강렬한 편입니다. 유명한 별자리인 전갈자리의 중심이라는 위치, 전쟁의 신인

   아레스에 대항한다는 상징성도 한몫합니다. 그 덕에 안타레스는 천문학 서적에 자주 나오는 별 중

   하나이기도 합니다.

 

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5.   큰 개자리 VY

 

1)   큰개자리에 위치한 항성으로 지구와의 거리는 약 4800광년이며 적색 초거성에 해당하는

     별로 그 지름은 태양 지름의 1420배, 질량은 태양의 17±8배입니다.

2) 문헌상 가장 오래된 기록은 1801년에 프랑스 천문학자 제롬 랄랑드가 작성한 성표에 이 별이

   기록된 것이며, 한 때 가장 거대한 항성으로 여겨지기도 하였으나, 관측기술이 발달하면서 항성의

   정확한 크기가 측정되고 더욱이 UY scuti라는 진짜 거대항성의 최고자리가 발견되면서 가장 거대한

   항성 자리에서는 내려오게 됩니다. 현재는 발견된 항성 중 7번째로 큰 항성입니다.

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6.   방패자리 UY

 

1) 방패자리 UY(UY Scuti)는 방패자리 방향으로 지구로부터 약 9500광년 떨어져 있는 적색초거성,

    또는 극대거성입니다.

 

2) UY Scuti는 1860년 독일 본 천문대의 본 성표를 만들기 위해 별들을 조사하는 과정에서 처음

    발견하고 기록했으나 별 볼일 없는 광점 하나에 불과해 오랫동안 주목을 받지 못했습니다.

 

3) 그러나 2012년 VLT를 이용해 별의 지름을 측정한 결과 이제껏 알려진 것 중 가장 크다는 사실이

    드러난 이후 대중의 큰 주목을 받게 되었습니다.

4) 발견된 별들 중 가장 큰 항성이였으나, '오차 범위가 매우 큰 것으로 확인되어 크기가 큰개자리

    VY, 백조자리 NML, 웨스터룬드 1-26 등 초거대항성들보다 훨씬 작아졌습니다. 크기는 약

    525,738,210km로 (약 3.5AU) 이는 목성 궤도보다 작은 크기입니다.

 

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7.   세페우스자리 VV

 

VV Cephei A

1) 지구와 4900광년 떨어져 있는 별으로, 세페우스자리 VV A라고도 합니다. 세페우스자리 VV

    (VV Cephei)라는 A(적색 극대거성)와 B(청색 초거성)로 구성된 식쌍성이자 알골형 변광성에

    속해 있는 적색 극초거성이며 반지름은 태양의 1050배 정도(약 7억 3500만 km)입니다.

2) 실시등급 5.2등급으로 좋은 조건 하에서 맨눈으로 관측할 수 있습니다. 그러나 이 별은 성간

   먼지의 영향으로 실제 밝기보다 어둡게 보이며 만약 성간먼지의 방해를 받지 않는다면 2등급의

   꽤 밝은 별로 보일 것입니다..

3) 머지 않아 초신성 폭발을 일으키고 블랙홀이 될 것이라고 하는데, 지구에서 보이는 것은

    4900년 전의 모습이므로 이미 오래 전에 블랙홀이 되었을지도 모릅니다. 만약 가까운 미래에

    초신성 폭발이 관측된다면 역사상 가장 가까운 곳에서 폭발한 초신성이 될 것입니다.

 

3) 밝기는 태양의 27만~57만 배나 밝으며, 지름은 태양의 1500배가 넘는데다가 질량은 태양의

   100배 정도로 크지만, 표면온도는 약 3800K로 5800K인 태양보다 낮습니다. 현재까지 발견된

   항성 중 3번째로 큰 크기였으나, 측정 결과가 수정되어 크기는 줄어있는 상태입니다. 참고로

   스펙트럼은 M2입니다.

 

4) 지름의 세제곱과 질량을 비교해보면 알겠지만, 밀도는 태양과 비교조차 할 수 없이 낮으며,

   단순 계산으로도 지구 대기의 밀도보다도 훨씬 낮다는 결론이 나옵니다. 적색 거성이 다 이렇지만...

   물론 중심부의 밀도(항성의 지름에 비례한 것이 아닌 같은 지름의 원형 공간)는 태양보다 훨씬

   높아 기껏해야 헬륨만을 만들어내는 태양과는 달리 철 등의 훨씬 무거운 원소들을 핵융합 

   반응으로 만들어낼 수 있습니다.

 

5) 추가로, VV 시퍼이 B(동반성)는 A에 비해 지름이 훨씬 작지만, 광도가 태양의 10만 배에 다르는

    밝은 별입니다. A와는 쌍성의 질량 중심을 기준으로 25AU 정도의 거리를 보입니다.