세페이드 변광성

3. 종류

세페이드 변광성은 질량, 나이, 진화 역사에 따라 크게 고전 세페이드와 II형 세페이드로 나뉜다.^[21] 델타 세페이드 변광성은 불안정대 하단에 위치한 A형 주계열성 또는 주계열 근처의 별들이고, RR 라이라 변광성은 주기가 짧고, 불안정대가 수평가지와 교차하는 지점에 위치한다. 델타 세페이드 변광성과 RR 라이라 변광성은 진동이 헬륨 이온화 κ 기구에서 비롯되었음에도 불구, 세페이드 변광성과 함께 다루어지지는 않는다.

세페이드 변광성(CEP형)은 종족 I의 세페이드형(DCEP)과 종족 II의 II형 세페이드(CW)로 세분되며, 절대등급이 비교적 크고, 스펙트럼형이 F~K형인 황색 초거성에 속하는 주기적인 맥동 변광성이다. 변광 범위는 1~2등급, 주기는 2~50일 정도이다. 이 유형의 변광성은 변광 주기가 긴 별일수록 절대등급이 밝다는 주기-광도 관계를 가지며, 이를 통해 겉보기 등급과 변광 주기를 측정하여 거리를 측정할 수 있다. 이는 우주의 등대와 같으며, 연주시차 등으로 정확하게 측정할 수 없는 수천 광년 이상의 거리 측정에 사용된다. CEP형에는 매우 밝은 것도 있어, 다른 은하 내에서도 식별 가능하므로, CEP형 맥동 변광성을 이용하여 그 은하까지의 거리를 정밀하게 구할 수 있다.

;주요 세페이드형 변광성

• 케페우스자리 δ별 -- 5.366일의 주기로 3.48등성~4.37등성의 범위를 변광한다.
• 외뿔소자리 T별 -- 27.025일의 주기로 5.58등성~6.62등성의 범위를 변광한다.

3. 1. 고전 세페이드 변광성 (Classical Cepheids)

3. 2. II형 세페이드 변광성 (Type II Cepheids)

• 처녀자리 W별 -- 17.234일의 주기로 9.46등성~10.75등성의 범위를 변광한다.
• 헤라클레스자리 BL별 -- 1.307일의 주기로 9.70등성~10.62등성의 범위를 변광한다.

3. 3. 특이 세페이드 변광성 (Anomalous Cepheids)

3. 4. 이중 모드 세페이드 변광성 (Double-mode Cepheids)

4. 물리적 특징

세페이드는 보통 항성종족 I에 속하는 황색 거성으로, 수축과 팽창을 통해 밝기가 주기적으로 변한다. 세페이드 변광성들의 광도는 태양의 1000~10,000배이다. 세페이드들이 항성종족 I에 속하기 때문에 이들은 가끔 I형 세페이드로 불린다. 태양의 4~20배 정도 질량을 가지고 있다^[63]. 반면 항성종족 II에 속한 처녀자리 W형 변광성들은 II형 세페이드로 불리며, 질량은 태양의 절반 정도이다.

세페이드 변광성의 밝기 변화 주기는 짧게는 1일에서 길게는 50일까지 다양하다. 개개의 별들 사이에 약간의 차이는 있지만, 대다수의 세페이드 변광성은 빠른 속도로 밝아졌다가 천천히 어두워진다.^[64]

광도의 변화는 항성 대기에 있는 헬륨이 이온화되기 때문에 일어나며, 이에 이어 항성 대기의 팽창과 탈이온화가 진행된다. 이온화가 되는 과정에서 항성의 대기는 빛에 대하여 더욱 불투명해진다. 이 이온화-탈이온화 주기는 해당 항성의 동역학적 시간척도와 일치하므로 그 별의 광도에 대한 자료와 마찬가지로 평균 밀도에 관한 정보도 제공한다.

5. 주기-광도 관계

세페이드 변광성의 광도와 변광 주기 사이에는 매우 정확한 관계가 있다. 1912년 헨리에타 스완 리빗은 수백 개에 이르는 세페이드 변광성의 광도를 측정했고 여기서 독특한 주기-광도 관계를 발견했다. 3일 주기를 갖는 세페이드의 광도는 태양의 800배이다. 30일 주기를 갖는 세페이드의 광도는 태양의 1만 배이다.^[7]

6. 표준 광원

세페이드 변광성은 1세기 이상 표준 광원으로 사용되어 왔으며, 외부은하 거리척도에 기여하고 있다. 1912년 헨리에타 스완 리빗은 세페이드 변광성의 주기-광도 관계를 발견했다. 주기-광도 관계에 따르면, 3일 주기를 갖는 세페이드 변광성의 광도는 태양의 800배이고, 30일 주기를 갖는 세페이드 변광성의 광도는 태양의 1만 배이다.^[6][7]

지구에 가까운 세페이드 변광성을 이용해 해당 은하까지의 거리를 측정할 수 있다. 세페이드 변광성은 매우 밝고 거리를 정확하게 알 수 있어 외부 은하 또는 성단까지의 거리를 측정하는 데 이상적인 표준 광원 역할을 한다. 다만, 세페이드 변광성의 정확한 위치를 모르기 때문에 약간의 오차는 존재할 수 있지만, 관측 결과에 큰 영향을 줄 정도는 아니다.

에드윈 허블은 안드로메다 은하에서 세페이드 변광성을 발견하여 외부은하의 존재를 입증했다. 당시에는 외부은하에 대한 개념이 없었지만, 허블의 발견은 "위대한 논쟁"에서 제기된 문제를 해결했다.^[12] 최근 허블 우주 망원경은 6천만 광년 떨어진 처녀자리 은하단에서 세페이드 변광성을 발견했다.

7. 불확실성

고전 세페이드 변광성과 II형 세페이드 변광성을 이용한 거리 측정에는 여러 불확실성이 존재한다.^[38] 이러한 불확실성의 요인으로는 다양한 통과대에서 주기-광도 관계의 본질, 주기-광도 관계의 영점과 기울기에 대한 금속함량의 영향, 광도 오염(다른 별과의 혼합), 그리고 변하는(일반적으로 알 수 없는) 소광 법칙 등이 있다.^{[22][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48]}

이러한 문제들로 인해 허블 상수 값은 60km/s/Mpc에서 80km/s/Mpc 사이로 다양하게 제시되고 있다.^{[24][38][25][39][49]} 허블 상수의 정확한 값에 따라 우주의 여러 변수들이 제한될 수 있기 때문에 이러한 불일치를 해결하는 것은 천문학의 중요한 문제 중 하나이다.^[25][49]

8. 진동 모델

세페이드 변광성의 진동에 대한 일반적인 설명은 에딩턴 밸브^[54][55] 또는 "κ-기구"라고 불리는데, 여기서 κ(카파)는 기체 불투명도의 일반적인 기호를 나타낸다.

이 과정에서 헬륨이 가장 중요한 역할을 하는 기체로 여겨진다. 이중으로 이온화된 헬륨(전자를 두 개 모두 잃은 헬륨)은 단일 이온화된 헬륨보다 불투명하다. 헬륨이 가열되면 온도가 상승하여 이중 이온화가 자발적으로 발생하고, 형광등이 켜지는 것과 유사하게 층 전체에서 유지되는 지점에 도달한다. 세페이드 변광성의 주기 중 가장 어두운 부분에서, 항성 외층의 이온화된 기체는 상대적으로 불투명하여 항성의 복사에 의해 가열되고, 온도가 증가함에 따라 팽창하기 시작한다. 팽창하면서 냉각되지만, 이중 이온화가 유지될 수 없는 임계값에 도달할 때까지 이온화 상태를 유지하며, 이 시점에서 층은 단일 이온화되어 더 투명해지므로 복사가 빠져나갈 수 있게 된다. 그러면 팽창이 멈추고 항성의 중력으로 인해 다시 수축한다. 항성의 상태는 이중 이온화된 헬륨에 의해 생성된 히스테리시스^[56]에 의해 팽창하거나 수축하는 상태로 유지되며, 상한 또는 하한 임계값을 초과할 때마다 두 상태 사이를 무한히 반복한다. 이 과정은 전자 공학에서 발견되는 완화 발진기와 매우 유사하다.

1879년, 아우구스트 리터(1826-1908)는 균질 구의 단열 방사형 진동 주기가 표면 중력 및 반지름과 다음과 같은 관계를 통해 관련되어 있음을 보였다.

: $$T\; =\; k\; \backslash ,\backslash sqrt\; \backslash frac\; R\; g$$

여기서 k는 비례 상수이다. 표면 중력은 구의 질량 및 반지름과 다음과 같은 관계를 가진다.

: $$g\; =\; k\text{'}\; \backslash frac\; M\; \{R^2\}\; =\; k\text{'}\; \backslash frac\; \{RM\}\; \{R^3\}\; =\; k\text{'}\; R\backslash rho$$

최종적으로 다음을 얻는다.

: $$T\; \backslash sqrt\; \backslash rho\; =\; Q$$

여기서 ''Q''는 진동 상수라고 하는 상수이다.^[57]

9. 주요 세페이드 변광성 (예시)

다음은 주요 세페이드 변광성의 예시이다.

• 고전 세페이드 변광성

• 독수리자리 η별^[58]
• 쌍둥이자리 ζ별^[58]
• 황새치자리 β별^[58]
• 세페우스자리 δ별 (세페이드 변광성의 원형)^[58]
• 폴라리스 (북극성)
• II형 세페이드 변광성

• 처녀자리 W별^[58]
• 공작자리 κ별^[58]
• 헤라클레스자리 BL별^[58]
• 특이 세페이드 변광성

• 고래자리 XZ별^[59]
• 목동자리 BL별

참조

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