우주에 있는 세 가지 유형의 작은 별, 갈색왜성과 적색왜성, 그리고 백색왜성에 대해 알아보고 이들의 차이점과 우주에서의 의미를 알아보도록 하겠습니다.
갈색왜성, 적색왜성, 그리고 백색왜성이라는 이름
천체에 대한 이야기를 할 때 종종 등장하는 왜성이라는 단어에 대해 궁금한 적이 있나요? 왜성이라는 단어는 영문으로 드워프입니다. 드워프라니... 어디서 많이 들어본 것 같은 이름입니다. 드워프는 사실 별을 설명하는 단어보다는 서양의 소설이나 동화, 혹은 판타지 게임에서나 들어본 것 같은 단어일지도 모르겠습니다. 영문으로는 Dwarf라고 적는 이 단어는 한글로 해석하자면 난쟁이입니다. 갈색왜성, 적색왜성, 백색왜성의 영문이름은사실 영어로는 갈색난장이, 빨간 난쟁이, 하얀 난쟁이가 되는 것입니다. 하늘의 별을 난쟁이에 비교하다니.. 별은 언제나 인간에겐 동화 속 세상과도 같은 모양입니다. 어쨌든 그 이름들이 한국으로 와 번역되면서 갈색왜성, 적색왜성, 백색왜성이 되었습니다.
1. 갈색왜성은 어떤 별일까?
갈색왜성은 별의 주기에서 비교적 이른 단계에서 만들어지는 왜성의 종류입니다. 별이 만들어지기 위해서는 네뷸라라고 불리는 성운의 가스와 먼지들이 외부의 충격을 받으면서 균형을 이루고 있던 중력이 붕괴하고 수축을 시작하게 됩니다. 수축이 진행되는 과정에서 압력과 밀도가 높아지면 열이 발생하게 되고 최종적으로 내부의 핵이 핵융합을 시작하게 되면 별이 되는데, 갈색왜성은 내부의 압력과 밀도가 핵융합을 일으킬 수준까지 이르지 못한 상태를 말합니다. 별로 완전하게 성장하지 못한 상태이기 때문에 별이라고 부를 수 없는 상태이며, 이를 일컬어 '빛이 없는 별' 혹은 '실패한 별'이라고 부르기도 합니다. 우주에서 가장 차가운 존재라고도 불립니다.
1-1) 갈색왜성은 왜 별이 되지 못했나?
갈색왜성이 별이 되지 못한 가장 큰 이유는 바로 질량 때문입니다. 수축을 시작했지만 충분히 높은 온도와 밀도를 만들어낼 수 있을 정도의 가스와 먼지등이 없었기 때문에 성장을 멈추게 됩니다. 그래서 갈색왜성의 탄생은 어쩌면 최초의 네뷸라의 규모에서 결정된다고 볼 수 있습니다.
1-2) 별이 되지 못한 갈색왜성은 빨리 사라지나?
사실 이 부분은 굉장히 역설적입니다. 갈색왜성은 충분한 에너지를 내지 못해 별이 되지 못하였지만 그만큼 에너지를 천천히 소모합니다. 그래서 다른 별들에 비해 생애의 주기 초기단계에 머물러 있지만 생존기간은 무척 길어집니다. 결국 소멸까지에 이르는 시간은 매우 긴 존재가 됩니다.
2. 적색왜성은 어떤 별일까?
적색왜성은 우주에 존재하는 별들 중 가장 높은 비중을 차지하고 있는 존재입니다. 이 별은 적색거성보다는 훨씬 작고 차갑지만 오랜 수명을 가지고 있습니다. 적색거성이 될 만큼의 질량을 가지지는 못했지만 핵융합을 일으킬만한 온도와 밀도에는 도달했기에 별로 성장하였지만 질량자체가 크지 않기 때문에 말 그대로 작은 적색별이라고 볼 수 있습니다. 하지만 이 적색왜성들이 절대적인 질량과 크기에서 작은 것은 결코 아닙니다. 단지 적색거성과 함께 상대적인 의미로 표현하기 위해 적색왜성이라고 표현하게 된 것이며 영문 역시 Red giant와 묶어서 설명하기 좋게 Red Dwarf라고 이름 붙은 것이라고 생각할 수 있습니다.
2-1) 적색왜성과 적색거성의 차이
적색왜성과 적색거성을 구분하는 가장 큰 기준은 크기와 빛의 양입니다. 적색거성은 적색왜성과 비교했을 때 대략 10000배 이상 더 큰 크기이며 질량은 태양의 0.3배에서 최고 8배까지 더 무겁습니다. 적색왜성의 경우 질량은 태양의 절반정도인 경우도 많습니다. 또 하나의 차이점은 적색왜성이 주계열성인 반면 적색거성은 삶의 후반기쯤에 속하는 별이라는 점을 들 수 있습니다. 적색왜성이 그 자체로 오랜 시간을 더 유지할 수 있는 반면 적색거성은 가장 활동적인 시기가 지나고 서서히 노화의 단계에 진입한 별이라는 점이 큰 차이점이라고 할 수 있습니다.
2-2) 적색거성과 적색 초거성의 차이
적색 초거성은 적색거성보다 훨씬 크고 밝은 별입니다. 적색초거성 역시 적색거성과 같이 내부의 수소를 모두 다 사용하고 난 후 더 무거운 핵융합으로 넘어간 단계의 별이지만 크기와 광도에 있어서 적색거성보다 크고 밝다는 점이 차이점이라 할 수 있습니다. 적색거성과, 적색 초거성의 경우 초신성으로 폭발하는 것으로 알려져 있기도 합니다.
3. 백색왜성은 어떤 별일까?
백색왜성은 별 내부의 모든 핵연료를 다 사용하고 난 후 외피를 벗은 일종의 별의 잔해입니다. 이 별의 잔해는 별의 핵만이 남은 존재로 밀도가 엄청나게 높다는 특징이 있습니다. 질량자체는 태양과 비슷하지만 반지름은 지구의 크기와 비슷할 만큼 높은 밀도로 응축되어 있는 상태입니다. 매우 높은 수준의 방사능과 열을 방출하기 때문에 흰색으로 관찰되며 별의 주기에서 후기단계에 속합니다. 백색왜성의 단계를 지나가게 되면 이 별은 블랙홀이나 중성자성등의 다음단계로 변화합니다.
다만 적색 초거성 적색 초거성의 초신성으로 폭발하더라도 폭발 후 남은 핵의 질량이 충분하지 못한 경우에는 중성자성이나 블랙홀이 아닌 백색왜성이 되어 존재하게 되는 경우도 있습니다. 백색왜성은 매우 높은 밀도를 유지하면서 더 이상 빛을 내지 않으며, 점점 냉각되어 소멸하게 됩니다.
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