적색왜성

3. 특징

적색왜성은 질량이 작아 낮은 온도와 압력에서 양성자-양성자 연쇄 반응을 통해 수소를 헬륨으로 핵융합하여 에너지를 생성한다.^[14] 핵융합 속도가 느려 어둡게 빛나며 (태양 광도의 1/10,000 ~ 10%),^[15] 크기는 작고 밀도는 높다.

일반적인 항성 모델에 따르면 태양 질량의 35% 미만인 적색왜성은 항성 전체가 대류한다.^[16] 헬륨이 핵에 축적되지 않고 고르게 섞여 수명이 매우 길다. 질량이 큰 적색왜성은 최대 800억 년,^[17] 질량이 작고 중원소 함량이 많은 경우에는 최대 17조 5천억 년까지 주계열 단계에 머무를 수 있다.^[14][18] 현 우주에서는 주계열성 단계를 이탈한 적색왜성은 존재하지 않는다.

시뮬레이션에 따르면, 태양 질량의 25% 이상인 적색왜성은 적색거성으로 진화하지만, 크기가 작고 점근거성가지를 끝까지 올라가지 못한다.^[17] 태양 질량의 16~23%인 적색왜성은 청색왜성으로 진화하며, 10억 년간 머무르며 표면 온도는 7000~9500K에 이른다. 태양 질량의 8~16%인 적색왜성은 적색거성이 되지 못하고 청색왜성으로 진화하며, 50억 년간 머무르고 표면 온도는 6500~8500K에 이른다.^[17] 태양 질량의 7.5%인 적색왜성은 청색왜성 단계에서 430억 년간 머무르며 표면 온도는 4300~6100K이다.

빅뱅 직후 탄생한 종족 III 적색왜성은 발견되지 않았는데, 이는 초기 우주 환경에서 질량이 무거운 항성 위주로 생성되었기 때문으로 추정된다.

4. 스펙트럼 표준성

M형 항성의 분광 표준성은 1990년대 초반 이후 비교적 안정적으로 유지되고 있다. 이는 가장 가까운 적색왜성조차 상당히 어둡기 때문에, 20세기 초중반에 사용된 사진 건판으로는 색깔을 제대로 표현하기 어려웠기 때문이다. 중간~후기 M형 왜성에 대한 연구는 전하결합소자(CCD)와 적외선 감응 어레이를 사용하는 새로운 천체사진 및 분광 기술이 발전한 덕분에 지난 수십 년 동안 크게 발전했다.

개정된 예르크스 아틀라스 시스템(Johnson & Morgan, 1953)^[27]에는 M형 분광 표준성으로 HD 147379(M0V)와 HD 95735/라랑드 21185(M2V) 두 개만 나열되어 있다. HD 147379는 이후 표준 목록에서 전문 분류자들에 의해 표준으로 간주되지 않았지만, 라랑드 21185는 여전히 M2V의 주요 표준성이다. Robert Garrison^[28]은 적색왜성 중 "기준" 표준성을 나열하지 않았지만, 라랑드 21185는 여러 목록을 통해 M2V 표준성으로 남아 있다.^[27][29][30] 1970년대 중반에 Keenan & McNeil(1976)^[31]과 Boeshaar(1976)^[32]에 의해 적색왜성 표준성이 발표되었지만, 표준성 간에는 거의 일치하지 않았다.

1980년대에 더 차가운 항성들이 확인되면서 적색왜성 표준성의 전면적인 개정이 필요하다는 것이 분명해졌다. 주로 Boeshaar 표준을 기반으로 스튜어드 천문대의 연구팀(Kirkpatrick, Henry, & McCarthy, 1991)^[30]이 K5V에서 M9V까지의 분광 서열을 채웠다. 이 M형 왜성 표준성들이 오늘날까지 주요 표준성으로 남아 있다. 1991년 이후 적색왜성 분광 서열의 변화는 미미했다. Henry 외(2002)^[33]에 의해 추가적인 적색왜성 표준성이 편집되었고, D. Kirkpatrick은 최근 Gray & Corbally의 2009년 논문에서 적색왜성과 표준성의 분류를 검토했다.^[34]

M형 왜성 주요 분광 표준성은 다음과 같다.

• 글리제 270(M0V)
• 글리제 229A(M1V)
• 라랑드 21185(M2V)
• 글리제 581(M3V)
• 글리제 402(M4V)
• 글리제 51(M5V)
• 울프 359(M6V)
• 반 비스브로크 8(M7V)
• VB 10(M8V)
• LHS 2924(M9V)

5. 외계행성의 존재

많은 외계행성들이 적색왜성 주위를 돌고 있지만, 목성 크기의 행성은 상대적으로 드물다. 시선속도를 이용한 도플러 연구 방법에 따르면, 태양 질량의 2배 정도인 별들은 1/6 정도가 한 개 이상의 목성 질량 행성을 가지고, 태양 정도 질량의 별들은 1/16, 적색왜성들은 1/50 정도만이 그러한 행성을 가진다.^[35] 반면, 미세 중력렌즈 효과에 의하면 긴 공전 주기를 가진 해왕성 정도 질량의 행성은 적색왜성 3개 중 1개에서 발견된다.^[36] HARPS 관측에 따르면 적색왜성의 40%는 슈퍼지구 정도 질량의 행성이 표면에 물이 존재하는 등, 생명체가 살 수 있는 공전 공간에서 공전하고 있다고 밝혀졌다.^[37] 저질량 항성 주위 행성 형성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션에서는 지구 크기의 행성이 가장 많이 형성되지만, 시뮬레이션된 행성의 90% 이상이 질량의 10% 이상을 물이 차지하는 것으로 나타나, 많은 적색왜성을 공전하는 지구 크기의 행성이 깊은 바다로 덮여 있을 가능성을 시사한다.^[38]

2005년 글리제 581 주위를 공전하는 외계행성이 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 17배 정도로, 해왕성과 거의 비슷하다. 모항성과의 거리는 600만 km (0.04 AU) 정도로, 글리제 581이 차가운 별임을 고려해도 표면 온도는 150°C에 이를 것으로 추정된다. 2006년에는 적색왜성 OGLE-2005-BLG-390L 주위를 공전하는 외계행성이 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 5.5배 정도로, 모항성에서 3억 9천만 km 떨어져 공전하고 있으며, 행성의 표면 온도는 -220 °C로 예상된다.

2007년 글리제 581 주위에서 생명체 존재 가능성이 높다고 추측되는 외계행성 글리제 581c가 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 5.03배로, 핵융합성 주위를 도는 행성 중 가장 작은 질량이었다. (중성자별 PSR B1257+12 주위를 도는 행성 중에는 지구 질량보다 작은 행성도 있다.) 행성의 반경은 이 행성이 규산염질로 이루어져 있다고 가정할 경우 지구의 1.5배 정도이며, 얼음이나 기체로 이루어졌을 경우 그 반경은 더 클 것으로 생각된다. 글리제 581c는 지금까지 발견된 행성들 중 외계 생명체가 존재할 가능성이 가장 높은 천체이다.

글리제 581d 역시 생명체 존재 가능성이 높은 천체로 알려져 있다. 2010년 9월에 글리제 g가 생명체 거주 가능 궤도의 중간 정도에서 발견되었는데, 행성의 존재 여부가 확실치 않다. 현재까지 알려진 행성 중 글리제 581c, 글리제 581d가 생명체 거주 가능성이 가장 높은 천체로 알려져 있다.^[39][40][41]

2017년 2월 23일, NASA는 물병자리 별자리에 약 39광년 떨어진 적색왜성 TRAPPIST-1을 공전하는 7개의 지구 크기 행성의 발견을 발표했다. 이 행성들은 통과 방법을 통해 발견되었으며, 따라서 모든 행성의 질량과 반지름 정보를 가지고 있다. TRAPPIST-1e, f, g는 거주 가능 영역 내에 있는 것으로 보이며 표면에 액체 상태의 물이 있을 수 있다.^[42]

6. 생명체 거주 가능성

적색왜성계의 생명체 거주가능성 문서에 자세한 내용이 기술되어 있다.

적색왜성 주위를 도는 행성에 생명체가 살 수 있는지에 대해서는 논란이 있다. 적색왜성은 수명이 매우 길지만, 여러 요인으로 인해 생명체가 살기 어려울 수 있다.

첫째, 적색왜성은 매우 어둡기 때문에 생명체가 살 수 있을 정도의 온도를 유지하려면 행성이 항성에 매우 가까이 붙어서 돌아야 한다. 그러나 이로 인해 조석 고정 현상이 발생하여 행성의 한 면은 영원한 낮이, 반대쪽은 영원한 밤이 지속된다. 이러한 환경에서는 생명체가 안정적으로 진화하기 어렵다. 하지만 최근 이론에 따르면 대기가 충분히 두꺼우면 행성 전체의 온도가 고르게 유지될 수 있다고 한다. 또한, 가스 행성 주위를 도는 위성은 조석 고정 문제를 피할 수 있어 밤낮 순환이 가능하여 열 분배가 가능하다.

둘째, 적색왜성이 발산하는 빛은 대부분 적외선 영역에 몰려 있어 식물의 광합성 작용에 부적합하다. 또한 자외선 영역을 거의 방출하지 않아 이 역시 생명체 거주에 필요한 영역이라 문제가 될 수 있다. 따라서 적색왜성 행성에 동물이 존재한다면 적외선 영역을 볼 것이고, 식물은 검은색이나 어두운색을 띨 것이다.

셋째, 항성에서 나오는 빛의 양이 불규칙하다. 적색왜성 표면에는 많은 흑점이 존재할 것으로 예상되며, 심할 경우 빛의 40%가 감소하기도 한다. 플레어 별이라고 불리는 적색왜성들은 막대한 규모의 플레어를 발산하는데, 이때 행성이 받는 에너지가 두 배로 증가하여 생명체에 해로운 영향을 미칠 수 있다. Gibor Basri (UC Berkeley team)는 행성의 대기가 이 섬광을 막을 수 있다고 주장하기도 했다.^[44] 하지만 로스 128이나 티가든의 별처럼 플레어 활동이 활발하지 않은 적색왜성도 존재하며, 섬광성 별도 시간이 지나면 플레어 발생 빈도가 줄어들어 안정될 것으로 예상된다. 2021년 관측에 따르면 적색왜성에서 발생하는 플레어가 주로 55도 이상의 고위도 지역에서 발생해 행성에 미치는 영향이 예상보다 적을 수 있다.^[45][46]

7. 한국 천문학계의 연구

한국 천문학계는 적색왜성과 그 주위를 도는 외계행성 연구에 활발히 참여하고 있다. 적색왜성은 우주에서 가장 흔한 유형의 항성이며, 글리제 581, OGLE-2005-BLG-390L, TRAPPIST-1과 같이 외계행성이 발견된 사례들이 있다. 2017년 NASA는 TRAPPIST-1을 공전하는 7개의 지구 크기 행성을 발견했으며, 이 중 e, f, g 3개는 거주가능 영역 내에 있어 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 있다고 발표했다. 이러한 연구는 외계 생명체 탐색에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

8. 예

참조

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