적색거성

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1. 개요
2. 물리적 특징
- 2.1. 분광학적 특징
3. 진화
- 3.1. 적색거성이 되지 않는 별
4. 행성
- 4.1. 생명체 거주 가능성
- 4.2. 행성의 질량 증가
5. 한국과 적색거성 연구
6. 잘 알려진 예
7. 적색거성이 된 태양
참조

1. 개요

적색거성은 중심핵에서 수소가 고갈되어 핵융합이 껍질에서 일어나는 별이다. 태양보다 수백 배 밝고, 반지름은 수십에서 수백 배에 달하며, 붉은색 또는 주황색을 띤다. 분광형은 K형 또는 M형이며, 표면 온도는 3,000~5,000K 정도이다. 0.3에서 8 태양 질량 범위의 주계열성에서 진화하며, 핵에서 헬륨 핵융합이 시작되면 팽창하여 적색거성이 된다. 태양은 약 70억 년 후 적색거성이 되어 팽창하고 질량을 잃을 것으로 예상되며, 지구는 태양에 흡수되거나 궤도가 변화하여 생태계가 파괴될 수 있다.

2. 물리적 특징

태양(왼쪽)의 구조와 적색 거성으로서의 미래 모습(오른쪽; 축척이 아님)을 비교한 그림. 오른쪽 하단의 작은 그림은 크기 비교를 보여줍니다.

적색거성은 중심핵의 수소를 모두 소진하고, 핵을 둘러싼 껍질에서 수소 핵융합을 시작한 별이다. 반지름은 태양 반지름보다 수십 배에서 수백 배까지 크지만, 외피 온도는 더 낮아 황적색을 띤다. 외피의 에너지 밀도가 낮음에도 불구하고, 크기가 매우 커서 태양보다 훨씬 더 밝다. 적색 거성 가지 별의 광도는 태양의 거의 3,000배에 달하며, K형 또는 M형의 스펙트럼 형태는 의 표면 온도를 가진다(태양 광구의 온도는 거의 임). 반지름은 태양의 약 200배까지 된다. 수평 가지에 있는 별들은 더 뜨겁고, 정도의 광도 범위를 가진다. 점근거성가지 별들은 적색 거성 가지의 가장 밝은 별과 비슷한 광도부터 열 맥동 단계의 끝에서 몇 배 더 밝은 광도까지 다양하다.

갓 태어난 항성은 중심부 수소의 핵융합 반응으로 빛을 내지만, 나이가 들면 중심부 수소를 모두 소모하고 핵융합으로 생성된 헬륨으로 이루어진 중심핵과, 그것을 둘러싼 수소 외층 구조로 바뀐다. 헬륨 중심핵 바로 바깥쪽 수소층에서 핵융합이 시작되며(항성풍), 중심부는 에너지원이 없어 중력으로 수축한다. 이때 방출되는 중력 에너지로 핵융합이 일어나는 핵 외층 부분은 항상 가열된 상태가 되어 핵융합 반응이 가속화되고, 발생한 열에 의해 외층은 팽창하여 중력에 의한 수축을 능가한다. 별의 외층은 크게 부풀어 오르고, 표면 온도는 상대적으로 낮아져 붉게 보인다. 이때 항성 주위에 행성이 존재하면, 행성 궤도가 항성의 팽창한 외층 안쪽을 돌 경우 항성에 빨려 들어가고, 바깥쪽을 도는 행성도 궤도 변화를 피할 수 없다.

이 팽창 상태는 중심부에서 헬륨 핵융합 반응이 시작되어 수축을 지탱하면 해소되지만, 중심부 헬륨이 소모되고 더 무거운 탄소나 산소 핵이 생겨 헬륨 외층에서 핵융합이 일어나면 다시 팽창한다(점근거성가지).

적색 거성 외층은 별 중심에서 멀리 떨어져 중력에 의한 구속이 약해 점차 가스가 별에서 유출된다. 항성은 외층을 잃고 중심핵이 노출되며, 핵융합 반응이 종료된 백색왜성이 된다. 유출된 가스는 행성상성운으로 관측된다.

태양 질량의 약 8배보다 무거운 별은, 핵융합의 "재"로서 무거운 원소의 중심핵 생성 → 중심핵의 중력 수축 → 수축에 의한 온도 상승 → 무거운 원소 핵에 핵융합 반응의 "불"이 붙는 반응을 반복하여, 무거운 원소 핵이 양파 모양으로 만들어진다. 중심에서 철 원자핵이 만들어지면 핵융합은 정지하고, 중심부는 열에너지에 의한 팽창력을 잃고 급속히 중력 수축, 반동으로 초신성 폭발을 일으켜 극한까지 수축하고 중성자별이나 블랙홀을 남긴다.

2. 1. 분광학적 특징

매우 차가운 적색거성은 분자선, 방출선, 메이저를 보여주는 복잡한 스펙트럼을 가지고 있다.^[39]^[40] 관측 결과에 따르면 적색거성의 광구 위에는 뜨거운 채층이 존재한다.^[4]^[5]^[6] 이러한 채층 형성의 원인을 밝히려면 적색거성에 대한 3D 시뮬레이션 연구가 필요하다.^[7]

많은 그림에서 묘사되는 것과는 달리, 적색거성은 외피의 매우 낮은 질량 밀도로 인해 뚜렷하게 윤곽이 드러나는 광구를 가지지 않으며, 별 자체는 서서히 '코로나'로 전이한다.^[39]^[40] 또한, 쌀알무늬라고 불리는 수많은 작은 대류 세포를 가진 태양과 같은 별과는 달리, 적색거성과 적색초거성의 광구는 단지 몇 개의 거대한 대류 세포만을 가지고 있다. 이러한 대류 세포의 특징은 이 두 유형의 별에서 흔히 볼 수 있는 밝기 변동을 야기한다.^[41]

3. 진화

적색거성은 약 0.25M_☉~8M_☉의 질량을 가진 주계열성에서 진화한다.^[45] 별이 처음 생길 때는 주로 수소와 헬륨, 그리고 적은 양의 금속(수소와 헬륨이 아닌, 원자번호 2보다 큰 원소)을 포함하며, 이러한 원소들은 별 전체에 균일하게 섞여 있다. 별의 중심핵 온도가 수백만 도에 이르고 유체 정역학적 평형 상태를 이루면 중심핵에서 수소 핵융합이 시작되고, 별은 주계열 단계에 진입한다. 주계열 단계에서 별은 핵융합을 통해 중심핵의 수소를 서서히 헬륨으로 바꾸며, 태양의 경우 이 기간은 약 100억 년이다. 무거운 별일수록 핵융합이 빠르게 일어나 주계열 수명이 짧다.^[37]

별의 중심핵에서 수소가 고갈되면 핵반응이 중단되고, 중심핵은 자체 중력으로 수축하기 시작한다. 이 과정에서 온도, 압력, 밀도가 상승하고, 중심핵 근처 껍질에 남아있던 수소가 고온 고압의 영향으로 핵융합을 다시 일으킨다. 이로 인해 별의 광도는 1,000~10,000배 증가하고, 외포층은 크게 팽창하여 적색거성 단계에 진입한다. 팽창으로 인해 핵융합 에너지는 더 넓은 표면으로 분산되어 표면 온도는 낮아지고, 별에서 방출되는 빛은 붉은색 쪽으로 치우치게 된다. 이때 별은 헤르츠스프룽-러셀 (H-R) 도표의 적색거성가지를 따라 이동한다.^[37] 외포층은 대류를 통해 핵융합 에너지를 표면으로 전달하며, 이 과정에서 핵융합으로 생성된 물질이 별 표면으로 처음 운반되는 '첫번째 준설'이 일어난다.

적색거성가지에서의 진화 경로는 별의 질량에 따라 달라진다. 태양 질량의 1~2배(1~2M_☉)인 별의 경우,^[42] 중심핵은 전자 축퇴압이 더 이상의 붕괴를 막을 정도로 밀도가 높아진다. 중심핵이 축퇴되면 약 10⁸ K까지 가열되어 삼중알파과정을 통해 헬륨을 탄소로 융합하는 헬륨섬광이 일어난다. 더 무거운 별에서는 중심핵이 축퇴되기 전에 10⁸ K에 도달하여 헬륨 융합이 더 부드럽게 시작되고 헬륨섬광은 일어나지 않는다.^[37] 중심핵에서 헬륨 융합이 일어나는 단계는 금속 함량이 부족한 별에서는 수평가지라고 불리며, 금속이 풍부한 별에서는 H-R 도표 상에서 적색군에 위치한다.^[43]

핵 헬륨이 고갈되고 항성이 다시 붕괴하면 껍질의 헬륨이 핵융합을 시작한다. 동시에 수소가 연소하는 헬륨 껍질 바로 바깥쪽 껍질에서 수소 핵융합이 시작될 수 있다. 이것은 항성을 두 번째 적색거성 단계인 점근거성가지로 이끈다.^[44] 헬륨 핵융합은 탄소-산소 핵의 축적을 초래한다. 약 8M_☉ 이하의 별은^[42] 이 핵에서 핵융합을 시작할 수 없다. 대신 점근거성가지 단계가 끝나면 외곽 껍질을 방출하여 행성상성운을 형성하고, 중심핵은 백색왜성이 된다. 외곽 물질 방출과 행성상성운 형성은 적색거성 단계의 마지막이다.^[37] 적색거성 단계는 태양 질량의 별에서 약 10억 년 동안 지속되며, 대부분은 적색거성가지에서 보낸다. 수평가지와 점근거성가지 단계는 훨씬 빠르게 진행된다.

0.25~0.5 M_☉의 별은,^[42] 적색거성이 될 만큼 무겁지만 헬륨 핵융합을 시작할 만큼 충분한 질량을 가지지 못한다.^[45] 이러한 별들은 어느 정도 밝아지고 차가워지지만, 적색거성가지의 첨단부에 이르거나 헬륨핵 섬광을 일으키지 못하고 외포층을 방출하여 백색왜성이 된다.

3. 1. 적색거성이 되지 않는 별

매우 작은 질량의 별은 내부 전체가 대류하고 있어^[46]^[47] 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합을 계속한다. 이들은 수조 년 동안^[48] 별 전체에 있는 수소를 소진할 때까지 핵융합을 지속하며, 이 과정에서 광도와 온도는 점차 증가한다. 결국 헬륨의 양이 많아져 별이 완전히 대류하지 않게 되고, 핵에 남은 수소는 수십억 년 만에 소진된다. 질량에 따라 수소 껍질 연소 기간에 온도와 광도가 계속 증가하지만, 이후 어두워지고 차가워져 차가운 헬륨 백색왜성이 된다.^[49]

매우 큰 질량의 별은 초거성으로 진화하며, HR 도표에서 수평 방향으로 이동하는 진화 경로를 따른다. 이들은 흔히 II형 초신성으로 생을 마감한다. 매우 무거운 별들은 거성이나 초거성이 되지 않고 울프-레이에 별이 될 수 있다.^[50]^[51]

4. 행성

HD 208527, HD 220074와 같은 M형 항성과, 폴룩스, 세페우스자리 감마, 용자리 이오타를 포함한 K형 거성 등 적색거성 주위에서 행성들이 발견되었다.^[52] 이들은 항성 진화와 행성계의 관계를 연구하는 데 중요한 대상이 된다.

본문 참조 — 이 그림은 그림 왼쪽에서 태양과 같은 항성의 탄생부터 수십억 년 후 오른쪽에서 적색 거성으로의 진화까지의 과정을 보여줍니다.

4. 1. 생명체 거주 가능성

이전에는 행성계의 중심 별이 적색거성으로 진화하면 생명체가 살기에 부적합할 것이라고 여겨졌다. 그러나 일부 연구에 따르면, 태양과 비슷한 질량(1M|☉^영어)의 항성이 적색거성가지 단계를 거치면서 생명체 거주가능 영역이 2 AU 밖에서 10⁹ 년, 9 AU 밖에서 10⁸ 년 동안 유지되어 생명체가 살기 적당한 환경이 발달하기에 충분한 시간을 제공할 수 있다고 한다.^[53] 적색거성 단계 이후에는 이러한 별들의 생명체 거주가능 영역은 10⁹년 동안 7~22 AU 사이에서 형성될 것이다.^[53]

이후 연구에서는 1 태양 질량 항성의 경우, 화성과 유사한 궤도를 가진 행성의 생명체 거주가능 영역 지속 시간은 1억 년이고, 토성 궤도 거리에서 공전하는 행성은 2억 1천만 년이며, 목성 궤도 거리에서 공전하는 행성의 경우 최대 3억 7천만 년임을 보여주었다. 그러나 목성과 토성의 궤도와 같은 궤도를 도는 0.5 태양 질량 항성의 행성은 각각 58억 년과 21억 년 동안 생명체 거주가능 영역에 있을 것이다. 태양보다 질량이 더 큰 항성의 경우 그 시간은 상당히 짧다.^[22]

4. 2. 행성의 질량 증가

적색거성 주위의 행성은 항성풍을 흡수하거나 로슈엽 흐름을 통해 질량이 증가할 수 있다. 2023년 기준으로 거성 주위에서 발견된 거대 행성들은 태양과 같은 유형의 별 근처에서 발견되는 거대 행성보다 더 무거운 경향을 보인다.^[24] 이는 더 무거운 별이 더 무거운 행성을 가질 것이라는 추정과는 달리, 별의 질량과 행성의 질량 사이에 직접적인 연관성이 없음을 보여준다. 따라서 행성은 별이 적색거성 단계에 진입하면서 질량이 증가했을 가능성이 제기된다.^[24]

행성 질량 증가는 항성풍 흡수로 인해 부분적으로 발생할 수 있다. 그러나 적색거성이 행성 궤도 거리까지 팽창하면서 발생하는 로슈엽 흐름이 질량 증가에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.^[24]

5. 한국과 적색거성 연구

한국 천문학계는 적색거성 연구에 활발하게 참여하고 있으며, 특히 보현산 천문대와 같은 대형 망원경을 이용한 관측 연구가 이루어지고 있다. 적색거성의 분광학적 특징, 변광성 연구, 외계 행성 탐색 등 다양한 분야에서 연구가 진행 중이다.

6. 잘 알려진 예

많은 밝은 별들이 밝고 비교적 흔하기 때문에 적색거성이다. 밤하늘에서 밝고 유명한 적색거성으로는 알데바란(황소자리 알파), 폴룩스(쌍둥이자리 베타), 아르크투루스(목동자리 알파), 가크룩스(남십자자리 감마)가 있다.

항성 이름	분광형	기타
미라 (ο Ceti)	M형	점근거성가지
알데바란 (α Tauri)
아르크투루스 (α Bootis)	K형
가크룩스 (γ Crucis)
폴룩스 (β Geminorum)^[27]	K형
알비레오 (β Cygni)	K형
카시오페이아자리 4 (4 Cas)	M형
카펠라 Aa (α Aurigae)
카시오페이아 α (Schedar)
안드로메다 δ^[28]
페르세우스자리 ρ별 (고르고네아 테르티아, Gorgonea Tertia)
미라 (세투스자리 ο별, ο Ceti)
백조자리 χ별
헤라클레스자리 α별 (라살게티, Rasalgethi)
뮤 레오니스^[27]

고래자리의 미라^[35]와 황소자리의 알데바란^[35], 백조자리의 백조자리 W별, 목동자리의 아르크투루스^[35] 등이 적색거성의 대표적인 예이다.

7. 적색거성이 된 태양

태양은 지금으로부터 약 70억 년 후 적색거성이 될 것으로 예측되며, 그 부피는 현재 태양계 내행성들을 빨아들일 정도로 확장될 것이다.^[45] 이 상태에서 태양의 반지름은 지금의 150배에 이르게 된다. 그러나 적색거성이 된 태양은 외포층 대기가 우주 공간으로 탈출하면서 종국적으로 현 질량의 38퍼센트를 잃게 된다.^[45] 태양이 질량을 잃어감에 따라 중력은 약해져서, 화성 및 나머지 외행성들의 궤도는 지금보다 태양에서 더 먼 곳으로 물러나게 될 것이다.^[45] 수성과 금성은 부풀어 오른 태양의 외곽 대기층과 마찰을 일으키다가 빨려 들어가 최후를 맞을 것이다.^[45]

현재 주계열성인 태양의 크기와 미래에 적색거성이 된 태양의 최대 크기 비교. 태양이 내부에 있는 수소를 전부 태우면 주계열을 떠나 적색거성으로 진화한다.

다만 지구의 운명은 확실하지 않다. 태양이 질량을 잃어버림에 따라 지구의 궤도는 1.3 ~ 1.7 AU까지 뒤로 물러나 태양에 포획되는 것은 피할 가능성이 있다. 그러나 최근 연구에 따르면 태양과 지구 사이의 조석 작용 때문에 지구는 태양에 가까이 끌려가며 결국 먹히고 말 것이라는 관측도 있다.^[45]

그러나 태양이 수소를 소진하고 헬륨 융합을 하는 과정에서 계속 밝고 뜨거워짐에 따라 지구의 생태계는 소멸할 것이다. 태양의 뜨거운 열로 인하여 바다는 증발하여 우주로 달아나며 지구의 대기는 마치 지금의 금성과 같이 변한 뒤, 나중에는 모든 대기 역시 우주 공간으로 날아가게 된다.^[45] 적색거성 단계에 돌입할 즈음이면 태양의 표면온도는 낮아지지만 지구로 방출시키는 열기가 기하급수적으로 증가해 최후에는 지표면의 암석마저 녹아내려 지구는 용암 행성으로 변하게 된다.^[45]

참조

_[1] 논문 The CNO Isotopes: Deep Circulation in Red Giants and First and Second Dredge-up
_[2] 논문 Structured Red Giant Winds with Magnetized Hot Bubbles and the Corona/Cool Wind Dividing Line
_[3] 논문 Asymptotic giant branch stars
_[4] 서적 Ultraviolet Stellar Spectra and Related Ground-Based Observations 1970
_[5] 논문 The shock-heated atmosphere of an asymptotic giant branch star resolved by ALMA 2017-12-01
_[6] 논문 ALMA and VLA reveal the lukewarm chromospheres of the nearby red supergiants Antares and Betelgeuse 2020-06-01
_[7] 논문 Three-dimensional hydrodynamical CO5BOLD model atmospheres of red giant stars - VI. First chromosphere model of a late-type giant 2017-10-01
_[8] 논문 On the scale of photospheric convection in red giants and supergiants 1975
_[9] 서적 Introductory Astronomy & Astrophysics Saunders College Publishing 1998
_[10] 웹사이트 Stars https://science.nasa[...] 2012-03-16
_[11] 서적 Asteroseismology and Exoplanets: Listening to the Stars and Searching for New Worlds: IVth Azores International Advanced School in Space Sciences https://books.google[...] Springer 2017-11-03
_[12] 논문 Evolutionary sequences of stellar models with new radiative opacities. IV. Z=0.004 and Z=0.008
_[13] 논문 The Age-dependent Luminosities of the Red Giant Branch Bump, Asymptotic Giant Branch Bump, and Horizontal Branch Red Clump
_[14] 논문 Our Sun. III. Present and Future
_[15] 논문 On the magnetic topology of partially and fully convective stars
_[16] 웹사이트 Main-Sequence Stars http://www.astrophys[...] The Astrophysics Spectator 2005-02-16
_[17] 웹사이트 Late stages of evolution for low-mass stars http://spiff.rit.edu[...]
_[18] 논문 The End of the Main Sequence
_[19] 논문 Physical Properties of Wolf-Rayet Stars 2007
_[20] 논문 Red Supergiants, Luminous Blue Variables and Wolf-Rayet stars: The single massive star perspective 2010-07-12
_[21] 논문 Can Life Develop in the Expanded Habitable Zones around Red Giant Stars? 2005
_[22] 논문 Habitable Zones of Post-Main Sequence Stars 2016
_[23] 웹사이트 Planetary Systems https://exoplanetarc[...]
_[24] 논문 The properties of planets around giant stars
_[25] 논문 Multiwavelength diameters of nearby Miras and semiregular variables 2004-05-01
_[26] 논문 Carbon and oxygen isotopic ratios in Arcturus and Aldebaran. Constraining the parameters for non-convective mixing on the red giant branch
_[27] 논문 Estimating stellar ages and metallicities from parallaxes and broadband photometry: successes and shortcomings https://www.aanda.or[...] 2019-02-01
_[28] 논문 K-Band Calibration of the Red Clump Luminosity
_[29] 웹사이트 Red Giant Stars: Facts, Definition & the Future of the Sun http://www.space.com[...]
_[30] 논문 Distant future of the Sun and Earth revisited
_[31] 뉴스 Ask Ethan: Will The Earth Eventually Be Swallowed By The Sun? https://www.forbes.c[...] 2020-02-08
_[32] 서적 Introductory Astronomy & Astrophysics Saunders College Publishing 1998
_[33] 논문 The CNO Isotopes: Deep Circulation in Red Giants and First and Second Dredge‐up
_[34] 웹사이트 블랙홀과 은하 형성의 관계를 밝히다 https://www.jaxa.jp/[...] JAXA (宇宙航空研究開発機構) 2003
_[35] 웹사이트 적색 거성 https://web.archive.[...] JAXA 우주 정보 센터 (宇宙航空研究開発機構宇宙情報センター)
_[36] 간행물 천문학용어집 한국천문학회
_[37] 서적 Introductory Astronomy & Astrophysics https://archive.org/[...] Saunders College Publishing
_[38] 저널 The CNO Isotopes: Deep Circulation in Red Giants and First and Second Dredge‐up
_[39] 웹인용 Measurements of the frequency of starspots on red giant stars https://web.archive.[...] 2014-10-09
_[40] 웹인용 orange sphere of the sun http://solarscience.[...] 2014-10-09
_[41] 저널 On the scale of photospheric convection in red giants and supergiants.
_[42] 저널 Evolutionary sequences of stellar models with new radiative opacities. IV. Z=0.004 and Z=0.008 1994
_[43] 웹인용 Harvard University search for orange-yellow clumps https://web.archive.[...] 2005-06-23
_[44] 저널 Our Sun. III. Present and Future
_[45] 저널 The End of the Main Sequence 1997-06-10
_[46] 저널 On the magnetic topology of partially and fully convective stars http://arxiv.org/pdf[...]
_[47] 웹인용 Main-Sequence Stars http://www.astrophys[...] The Astrophysics Spectator 2006-12-29
_[48] 웹인용 Late stages of evolution for low-mass stars http://spiff.rit.edu[...] 2006-12-29
_[49] 저널 The End of the Main Sequence
_[50] 저널 Physical Properties of Wolf-Rayet Stars
_[51] 저널 Red Supergiants, Luminous Blue Variables and Wolf-Rayet stars: The single massive star perspective
_[52] 웹인용 보관된 사본 http://exoplanetarch[...] 2014-10-09
_[53] 저널 Can Life Develop in the Expanded Habitable Zones around Red Giant Stars?
_[54] 논문 The properties of planets around giant stars http://arxiv.org/abs[...] 2014-06-03

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