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온도 높을수록 푸르게 빛나… 클수록 수명 짧아요

밤하늘의 별은 모두 같은 거리에 있는 것처럼 보여요. 하지만 별들은 지구로부터 떨어진 거리가 모두 달라요. 북극성 주변에 있는 국자 모양의 별들인 북두칠성을 예로 들어볼게요. 국자 끝에 해당하는 두베는 지구에서 약 124광년(1광년은 약 9조4600억㎞), 손잡이 끝에 있는 알카이드는 약 101광년, 로마시대 병사들의 시력 검사에 쓰였다는 미자르는 약 79광년 떨어져 있어요. 하지만 우리가 눈으로 볼 때에는 이 별들의 거리가 각기 다르다는 사실을 알기 어려워요. 그렇다면 별들의 거리는 어떻게 알아낸 것일까요?

지구의 공전 이용해 거리 측정

천문학자들은 6개월에 한 번 같은 별의 사진을 찍어요. 그리고 두 사진 사이에 나타난 별 위치 차이(시차)를 이용해 별의 거리를 구해요. 이를 '연주시차'(年周視差)라고 하는데요. 시차는 서로 다른 두 지점에서 같은 곳에 있는 한 물체(별)를 바라봤을 때 생기는 시선의 각도 차이를 의미해요.

지구는 1년에 한 번 태양을 중심으로 공전해요. 지구가 태양 왼쪽에 있을 때 관측한 별의 위치와 지구가 반년 후 태양 오른쪽에 있을 때 관측한 별의 위치는 달라지겠죠. 천문학자들은 이 위치 차이와 달라진 별의 배경을 보면서 별의 거리를 가늠해요.

연주시차가 크면 가까이 있는 별이고, 작으면 멀리 있는 별이에요. 연주시차는 1초가 되지 않을 정도로 작아요. 1초는 1도를 3600등분 한 거예요. 과학자들의 계산에 의하면 연주시차가 1초인 별의 거리는 1파섹이라고 해요. 1파섹은 3.26광년이에요.

이 방법을 이용하면 100파섹(326광년) 안에 있는 별들의 거리를 잴 수 있어요. 그보다 멀리 있는 별들은 연주시차가 너무 작아서 이 방법으로는 거리를 잴 수 없어요. 천문학자들은 밝기 광도 관계, 인공위성을 이용한 시차 측정 등을 이용해 더 멀리 있는 별의 거리를 재요.

어두운 별과 밝은 별

별의 밝기는 같지 않아요. 어떤 별은 밝고 어떤 별은 어두워서 잘 보이지 않죠. 그렇다면 밝은 별은 큰 별이고 어두운 별은 작은 별일까요? 우주에 있는 별들은 거리가 제각각이기 때문에 지구에서 본 밝기가 꼭 크기와 관계있는 것은 아니에요. 아무리 큰 별도 멀리 있으면 어두워 보이고, 작은 별이라도 가까이 있으면 밝아 보이기 때문이지요.

이렇게 별의 크기나 거리와 관계없이 지구에서 보이는 대로 별의 밝기를 측정하고 이것을 등급으로 나타낸 것을 '겉보기 등급'이라고 해요. 등급이 낮을수록 밝게 빛나는 별이지요.

하지만 겉보기 등급은 별의 원래 밝기와는 다를 거예요. 그래서 천문학자들은 별의 거리를 하나하나 알아낸 뒤, 별들을 지구로부터 모두 같은 10파섹(32.6광년) 떨어진 곳에 놓았다고 상상하고 등급을 계산했어요. 이렇게 모두 같은 거리에 놓고 원래 밝기를 계산해 등급으로 나타낸 것을 '절대 등급'이라고 해요.

이 때문에 겉보기 등급과 절대 등급이 다른 별도 많아요. 지구와 약 1억5000만㎞ 떨어진 곳에 있는 태양은 겉보기 등급이 -26.7 등급이지만, 10파섹 거리로 밀어 놓은 절대 등급은 4.8등급이죠. 이 정도 밝기의 별은 통상 불빛이 없는 산이나 사막에나 가야 보이지 불빛이 환한 도시에서는 맨눈으로 볼 수 없어요. 태양은 지구와 가까이 있기 때문에 더욱 밝게 보이는 거죠. 쌍둥이자리의 별 중 하나인 폴룩스는 지구로부터 34광년 떨어져 있는데, 이는 10파섹의 거리와 비슷하기 때문에 겉보기 등급(1.14등급)과 절대 등급(1.08등급)의 차이가 거의 없답니다.

별마다 색이 달라요

별은 표면 온도에 따라 색이 달라요. 별의 색을 분명하게 구분할 수 있는 별자리는 겨울의 대표 별자리인 오리온자리예요. 오리온자리의 왼쪽 어깨에 있는 베텔게우스는 붉은색, 오른쪽 아래에 있는 리겔은 흰색인데요. 어느 별의 온도가 더 높을까요?

별은 온도가 높을수록 푸른색으로 빛나요. 그리고 온도가 내려가면서 흰색, 노란색, 주황색, 붉은색 순으로 빛나지요. 그러니까 붉은색 별의 표면 온도가 가장 낮은 거예요. 베텔게우스의 표면 온도는 3300도 정도이고, 희게 빛나는 리겔의 표면 온도는 1만2000도나 되지요. 태양처럼 노란 별의 표면 온도는 5400도 정도랍니다.

[그래픽] 별

[별의 수명은 어떻게 정해질까?]

베텔게우스는 매우 큰 별이에요. 태양보다 지름이 900배나 크고, 질량도 20배나 크다고 알려져 있어요. 베텔게우스의 나이는 700만년 정도인데요. 앞으로 10만년 정도만 더 살 수 있어요. 반면 태양은 현재 46억년째 빛나고 있는데, 앞으로 50억년은 너끈히 빛날 거예요.

별의 수명이 이처럼 차이가 나는 이유는 별의 크기와 수명 사이에 반비례 관계가 있기 때문이에요. 별의 수명은 별의 질량과 구성 물질에 의해 결정돼요. 별은 중심에서 수소가 헬륨으로 바뀌는 '수소핵융합'을 하면서 빛을 내요. 질량이 클수록 별 중심부의 압력과 온도가 빨리 높아지는데, 이 때문에 수소를 훨씬 빨리 태우죠.

통상 일반적인 별(주계열별)은 크기가 클수록 질량도 커요. 이 때문에 크기가 큰 별일수록 더욱 맹렬히 빠르게 타오르고, 태울 물질의 양이 적어지면 결국 거대한 폭발을 일으키며 죽게 되는 거예요. 큰 별은 밝지만 짧게 살고, 작은 별은 어두워도 오래 사는 거지요. 크기가 클수록 수명이 짧아지는 건 스스로 빛을 내는 별(항성)에만 해당되는 이야기예요. 지구와 같이 빛을 낼 수 없는 행성에는 적용되지 않는답니다. 기고자 : 이지유 과학칼럼니스트
장르 : 고정물
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