리튬 연소

3. 리튬-6 연소

53개의 황소자리 T 별의 리튬 풍부량 연구에 따르면, 리튬 고갈 정도는 별의 크기에 따라 크게 다르다. 이는 전-주계열성이 하야시 트랙의 후기 단계에서 겪는 마지막 대류적이고 불안정한 시기 동안 P-P 연쇄 반응을 통한 리튬 연소가 황소자리 T 별의 주요 에너지원 중 하나일 수 있음을 시사한다. 별의 빠른 회전은 내부 물질의 혼합을 촉진하여 리튬을 더 깊은 층으로 운반하고, 결과적으로 리튬 파괴를 증가시키는 경향이 있다. 황소자리 T 별은 각운동량을 보존하며 수축함에 따라 회전 속도가 빨라지는데, 이는 별이 나이가 들면서 리튬 손실 속도를 증가시키는 요인이 된다. 리튬 연소는 또한 온도가 높고 질량이 클수록 더 활발하게 일어나며, 최대 약 1억 년 이상 지속될 수 있다.

리튬-6이 연소하는 양성자-양성자 연쇄 반응은 다음과 같다.

이 반응은 목성 질량의 약 60배 미만인 천체에서는 일어나지 않는다. 이러한 특성을 이용하여, 별의 리튬 고갈 속도를 통해 별의 나이를 추정하는 데 활용할 수 있다.

4. 리튬 테스트

리튬을 사용하여 갈색 왜성을 질량이 작은 별과 구별하는 방법을 일반적으로 '''리튬 테스트'''라고 부른다.^[2] 태양과 같은 질량이 큰 별들은 외부 대기에 리튬을 유지할 수 있는데, 이 외부 대기는 리튬이 고갈될 만큼 충분히 뜨거워지지 않는다. 반면, 질량이 작은 별은 별 전체 부피에서 일어나는 대류로 인해 리튬이 고갈된다.^[1] 갈색 왜성은 수소 핵융합을 일으킬 만큼 뜨겁지는 않지만, 일부는 리튬을 태울 수 있다.

따라서 어떤 천체의 스펙트럼에서 리튬 선이 관측된다면, 이는 그 천체가 갈색 왜성일 가능성이 높다는 강력한 증거가 된다.^[1] 하지만 이 테스트가 완벽한 것은 아니다. 질량이 비교적 큰 갈색 왜성(약 60–75 M_J)은 젊은 시기에 리튬을 고갈시킬 만큼 충분히 뜨거울 수 있다. 특히 질량이 65 M_J 이상인 왜성은 약 5억 년이 지나면 리튬을 모두 태워 버릴 수 있기 때문에, 나이가 많은 갈색 왜성의 경우에는 리튬 테스트만으로 구별하기 어려울 수 있다.^[2]

5. 리튬 연소와 별의 나이

별의 리튬 고갈 속도는 별의 나이를 계산하는 데 사용될 수 있다. 53개의 황소자리 T 별의 리튬 풍부량을 연구한 결과, 리튬 고갈 정도는 별의 크기에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 이는 전-주계열성이 하야시 트랙의 후기 단계에서 겪는, 대류가 심하고 불안정한 마지막 단계 동안 양성자-양성자 연쇄 반응(P-P 연쇄 반응)에 의한 리튬 연소가 황소자리 T 별의 주요 에너지원 중 하나일 수 있음을 시사한다.

별이 빠르게 회전하면 내부 물질이 더 잘 섞여 리튬이 파괴되는 더 깊은 층까지 운반되므로 리튬 손실이 증가하는 경향이 있다. 황소자리 T 별은 나이가 들면서 수축하고 각운동량을 보존하며 회전 속도가 빨라지는데, 이는 나이가 들수록 리튬 손실 속도를 증가시킨다. 리튬 연소는 별의 온도가 높고 질량이 클수록 더 활발하게 일어나며, 최대 약 1억 년 동안 지속된다.

리튬 연소를 위한 양성자-양성자 연쇄 반응은 다음과 같다.

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이 과정은 목성 질량의 약 60배 미만인 별에서는 일어나지 않는다. 따라서 리튬이 고갈되는 속도를 이용하여 별의 나이를 추정할 수 있다.

참조

_[1] 논문 Lithium Depletion in Fully Convective Pre-Main-Sequence Stars 1997
_[2] 논문 The Lithium Test for Young Brown Dwarfs (invited review) http://articles.adsa[...]