밤하늘에 떠있는 반짝반짞 아름답게 빛나는 수많은 별들에 대한 이야기를 하려고 합니다. 별의 밝기 등급과 별 밝기와 관련된 흑체복사에 대한 설명, 그리고 별의 스펙트럼까지 아래에서 자세하게 다뤄보겠습니다.
별의 밝기 등급
별의 밝기는 왜 다른지 알아 보겠습니다. 하늘에 떠있는 별 중에서도 밝은 별이 있고 어두운 별이 있습니다. 이렇게 별의 밝기가 다른 이유는 바로 별 마다 가지고 있는 온도입니다 태양처럼 뜨거운 별은 빛을 내는 표면온도가 높아서 밝게 빛나고, 지구처럼 차가운 별은 표면온도가 낮아서 어둡게 보인다고 합니다. 하지만 그렇다고 해서 모든 별이 다 같은 온도라고 생각하면 큰 오산인데 각 별마다 가지고 있는 질량에 따라서도 가 나기 때문입니다. 예를 들어 수소 핵융합 반응을 통해서 에너지를 만들어내는 주계열성(태양)은 약 5억 도의 고온이지만, 헬륨 핵융합 반응을 일으키는 적색거성 단계의 별은 4천만 도밖에 되지 않습니다. 이처럼 별의 종류에 따라서도 보이는 밝기가 달라지게 됩니다. 별의 색은 왜 다른 이유는 성운으로부터 온 물질에 의해 결정되기 때문에 다릅니다. 성운이란 우주의 가스와 먼지 구름 덩어리를 의미하며 주로 붉은색 또는 푸른색 계열의 빛깔을 띱니다. 이러한 성운 속 기체 분자로부터 나오는 빛이 별빛에 섞여들어오기 때문에 붉은빛 혹은 푸른빛을 띠게 된답니다. 만약 하늘에 파란색 물감을 떨어뜨린다면 모두 파란색으로 보이듯 마찬가지로 파란빛을 내는 별도 있다면 빨간색 별로 보일 겁니다. 그리고 노란색별로 보이는 별도 있겠죠? 이렇듯 여러 가지 색깔로 보이는 별 사이에는 아무런 연관성이 없답니다.
빛의 근원 , 흑체복사란?
흑체복사는 모든 빛의 근원이자 에너지 전달방식인 복사현상 중 하나로, 물체가 흡수하거나 반사하지 않고 온전히 모두 열에너지로 변환되는 현상입니다. 이 과정에서 온도차가 발생하는데 이를 절대온도라고 합니다. 우리 주변에서는 태양과 같은 고온의 천체나 원자핵 등에서만 관찰되며, 우주 전체에서도 극히 일부에만 존재하기 때문에 매우 희귀한 현상이에요. 하지만 최근 인공위성 기술 발달로 인해 지구 궤도상에서의 관측이 가능해지면서 연구가 활발히 진행되고 있답니다. 태양계 내에서 유일하게 수소 핵융합 반응을 하는 별은 바로 태양인데 태양은 표면온도는 6,000K이며 중심부의 온도는 약 1,500만 K(켈빈) 입니다. 이렇게 높은 온도 덕분에 태양 내부에서는 수소원자 4개가 헬륨원자 1개로 융합하면서 엄청난 양의 에너지를 방출한답니다. 이러한 에너지는 행성들을 비롯한 수많은 항성 주위를 도는 위성들이 제 궤도를 유지하도록 도와주며, 생명체가 살 수 있는 환경을 제공하기도 해요. 또한 태양빛은 지표면에 도달해서 식물에게 광합성 작용을 하도록 도와주고, 사람에게는 비타민 D 합성을 돕습니다. 우주공간에서 일어나는 다양한 복사현상중 대표적인 복사현상으로는 플라즈마 상태의 기체로부터 나오는 자외선 영역의 X선 광자, 가시광선 영역의 적외선 광자, 그리고 전파영역의 감마선 광자가 있습니다. 이중 우주선이라 불리는 감마선 광자는 다른 복사광자와는 달리 물질과의 상호작용 없이 오직 진공상태에서만 생성되기 때문에 특이한 성질을 가지고 있습니다. 특히 파장이 짧은 감마선은 대기권 밖 성간물질 사이를 뚫고 지나갈 수 있어서 우주의 기원 및 진화과정을 밝히는 데 큰 도움을 주고있답니다. 우주팽창설은 아인슈타인의 특수상대성이론으로부터 나온 이론으로, 우주가 가속팽창 한다는 가설입니다. 빅뱅 직후 초기 우주는 아주 작은 점이었는데, 시간이 지나면서 점점 커지다가 현재처럼 무한히 먼 곳까지 확장되었다는 내용입니다. 실제로 허블망원경으로 촬영한 은하 사진을 분석하면 멀리 떨어진 은하일수록 후퇴속도가 빨라지고 있다는 결과를 얻을 수 있으며, 이로인해 우주가 팽창한다는 주장이 힘을 얻고있습니다.
빛의 파장 다양한 색깔 띠, 스펙트럼
우리는 우주에 대해 얼마나 알고 있을까요? 우리가 아는 우주는 고작 4%밖에 되지 않는다고 해요. 나머지 96%는 암흑에너지라고 불리는 미지의 영역이랍니다. 이 부분은 아직까지도 많은 과학자들이 연구중인 분야이기도 한데요, 최근 미국 항공우주국(NASA)에서는 허블망원경 관측 데이터를 분석해서 은하계 중심부에 거대한 블랙홀이 존재한다는 사실을 밝혀냈어요. 그리고 이를 통해서 새로운 가설을 제시했는데요, 그것은 바로 ‘별의 스펙트럼’입니다. 스펙트럼이란 빛의 파장에 따라서 나타나는 색깔띠를 의미하며 무지개색처럼 모든 색이 다 들어있는 띠라면 좋겠지만 아쉽게도 대부분의 경우 빨간색과 파란색 두가지 색으로만 이루어져있습니다. 하지만 예외적으로 노란색 또는 초록색 등 다른 색깔로 보이는 경우가 있는데 이것을 ‘보색효과’라고 부른답니다. 보색효과는 서로 반대되는 색상끼리 만났을 때 나타나는데요, 예를들어 빨강과 초록 사이엔 보라색이 있고, 파랑과 노랑 사이엔 주황색이 있듯이 말입니다. 우리 눈에 들어오는 빛은 모두 가시광선입니다. 가시광선은 빨주노초파남보 일곱가지 색으로 이루어져 있으며 이중에서도 특히나 에너지가 큰 붉은색과 푸른색 계열의 빛만이 우리 눈에 들어온답니다. 그래서 붉은빛과 푸른빛만을 이용해서 스펙트럼을 만들어낼 수 있었던겁니다. 만약 적외선이나 자외선 같은 광선들을 이용한다면 스펙트럼 또한 다양하게 나타날 수 있을 것입니다. 앞서 말씀드린것처럼 원래대로라면 여러가지 색이 보여야하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 왜냐하면 지구 대기권 안에서의 태양광은 항상 일정한 방향으로 들어오기 때문에 특정 각도에서만 관찰되기 때문입니다. 태양으로부터 오는 빛 중 일부는 지표면에 도달하기 전에 공기 분자와 부딪혀서 산란되고, 다시 반사되어 돌아옵니다. 이때 어떤 성분이냐에 따라서 흡수되거나 반사되는 비율이 달라지게 된답니다. 즉, 산란도 잘되고 반사도 잘되는 물질이라면 프리즘 효과 덕분에 다채로운 스펙트럼을 얻을 수 있지만, 반대로 산란도 안되고 반사도 안되는 물질이라면 단색광 형태로만 보이게 되는겁니다.
지금까지 별의 밝기 등급과 별 밝기와 관련된 흑체복사에 대한 설명, 그리고 별의 다양한 색깔 띠, 스펙트럼까지 아래에서 자세하게 다뤄보았습니다. 반짝 반짝 빛나는 별들에게도 엄청난 이야기가 있다는걸 알게 되어서 저 또한 너무 흥미롭고 재밌는 시간이었습니다. 다음에는 더 다양하고 놀라운 내용으로 찾아뵙겠습니다.