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청색초거성

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1. 개요

청색초거성은 질량이 큰 별이 주계열성을 떠나 진화하는 단계로, 매우 크고 밝으며 높은 광도와 질량 손실률을 보인다. 초기 질량이 태양 질량의 10~100배인 O형과 B형 별이 수소를 소진하면서 청색초거성이 되며, 일부는 울프-레이에 별로 진화하기도 한다. 청색초거성은 적색초거성을 거쳐 다시 청색초거성으로 진화하거나, 직접 초신성으로 폭발하기도 한다. 이들은 산개성단, 나선은하의 나선팔 등 어린 우주 구조에서 주로 관측되며, 리겔, 데네브 등이 대표적인 예시이다. 밝은 청색 변광성(LBV)은 청색초거성의 진화 단계 중 하나로 극심한 질량 손실과 밝기 변화를 보인다.

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청색초거성
개요
헤르츠스프룽-러셀도표
청색 초거성의 헤르츠스프룽-러셀도표 상의 위치
특징
정의분광형 A9형 또는 그보다 더 뜨거운 항성
관련 용어HR 도표
주계열
청색 거성
적색 초거성
황색 초거성
고광도 청색변광성
볼프-라이에별
설명청색 초거성은 매우 뜨겁고 밝은 초거성이다. 분광형은 O, B, A이며 광도계급은 I 또는 II이다. 청색 초거성은 질량이 크고 수명이 짧기 때문에 젊은 별에서만 발견된다. 청색 초거성은 질량이 큰 별이 주계열을 떠나 진화하는 단계에 있는 별이다. 청색 초거성은 초신성으로 생을 마감하거나, 더 무거운 블랙홀로 붕괴될 수 있다.
진화 과정청색 초거성은 질량이 큰 별이 주계열을 떠나 진화하는 단계에 있는 별이다.
중심핵에서 수소를 소진한 후 껍질에서 수소 핵융합을 시작하고 별의 외층이 팽창하면서 별은 더 크고 차가워져 초거성이 된다.
별의 온도가 낮아짐에 따라 색깔이 푸른색에서 붉은색으로 변하는데, 이 단계에서 별은 적색 초거성이 된다.
청색 초거성은 적색 초거성 단계를 거친 후 다시 청색으로 되돌아갈 수 있다.
질량이 매우 큰 별의 경우 이 과정은 여러 번 반복될 수 있으며, 이로 인해 별의 광도와 스펙트럼 유형에 큰 변화가 발생한다.
청색 초거성의 진화는 별의 질량과 회전 속도, 그리고 쌍성인지 여부와 같은 요인에 따라 달라진다.
특성청색 초거성은 HR 도표에서 상단에 위치한다.
밝기가 매우 밝고 표면 온도가 높다.
반지름은 태양의 수십 배에서 수백 배에 달한다.
질량은 태양의 10배에서 50배에 달한다.
불안정성청색 초거성은 별의 표면 근처에 있는 철의 불투명도에 기인하는 표면 아래의 대규모 대류 영역으로 인해 불안정할 수 있다.
이러한 불안정성은 별의 스펙트럼과 밝기에 변화를 일으킬 수 있다.
중요성청색 초거성은 별의 진화를 연구하는 데 중요한 역할을 한다.
초신성과 같은 격변적인 사건의 선구별이 될 수 있다.
우주에 무거운 원소를 뿌리는 역할을 한다.
발견 장소청색 초거성은 우리 은하와 다른 은하에서 발견된다.
별이 활발하게 형성되는 지역에서 흔히 발견된다.
역사적 맥락
연구청색 초거성의 진화 과정과 특성은 아직 완전히 이해되지 않았다.
별의 회전, 질량 손실, 쌍성과의 상호 작용과 같은 요인이 청색 초거성의 진화에 미치는 영향에 대한 연구가 진행되고 있다.
별의 내부 구조와 불안정성을 연구하기 위해 별의 진동을 연구하는 별진동학이 사용되고 있다.
같이 보기
관련 천체청색 거성
고광도 청색변광성
황색 초거성
적색 초거성
극대거성
O형 별
B형 별
A형 별
참고 문헌
참고 자료[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]

2. 형성

청색초거성은 높은 광도를 가지며, 질량 손실률이 매우 높은, 주계열성에서 막 진화한 별이다. 이들 중 다수는 엄청난 양의 질량을 잃는 밝은 청색 변광성이 된다.

큰개자리에 있는 B5형 초거성 큰개자리 에타. 매우 어린 별이지만, 주계열에서의 짧은 수명으로 인해 이미 일생의 종점 가까이에 도달해 있다.


리겔과 IC 2118 성운

2. 1. 주계열성에서 초거성으로

초거성은 큰 질량의 별이 진화한 형태로, 주계열성보다 훨씬 크고 밝다. 초기 질량이 약 10~100 ''M''인 O형과 B형 초반의 별들은 수백만 년 만에 수소를 소진하고 표면 가까이에 중원소가 보이기 시작하면서 주계열을 떠나 진화한다. 이러한 별들은 보통 청색초거성이 되지만, 일부는 곧장 울프-레이에 별으로 진화할 가능성도 있다.[30] 초거성 단계로의 팽창은 별의 중심핵의 수소가 대폭 감소하고 수소껍질연소가 시작될 때 일어나지만, 대류에 의해 중원소가 표면까지 준설되고 복사압의 증가로 인해 질량이 손실됨으로써도 일어날 수 있다.[31]

2. 2. 청색초거성에서 적색초거성으로, 그리고 다시 청색초거성으로

청색초거성은 불안정하여 밝은 청색 변광성(LBV) 단계를 거치며 막대한 양의 질량을 잃기도 한다.[32][33] 질량이 작은 청색초거성은 적색초거성으로 팽창하는데, 이 과정에서 황색초거성이나 황색극대거성을 거치기도 하지만, 수천 년이라는 짧은 시간 안에 일어나기 때문에 이러한 별들은 희귀하다. 질량이 큰 적색초거성은 외피층을 날려보내 다시 청색초거성이 되거나, 울프-레이에 별로 진화한다.[34]

적색초거성의 질량과 조성에 따라, II형 초신성으로 폭발하거나 외피층을 충분히 날려보내 다시 청색초거성이 되기도 한다. 이 과정은 여러 번 반복될 수 있으며, 이때 청색초거성은 처음보다 불안정하지만 어둡다.[35] 이러한 별이 황색진화공백을 통과하면, 낮은 광도의 LBV가 될 것으로 추정된다.

청색초거성의 진화 과정은 별의 초기 질량과 조성에 따라 달라진다. 매우 무거운 청색초거성은 너무 밝아 대기를 유지할 수 없어 적색초거성으로 팽창하지 않는다. 대략 40 ''M''이 경계선이며, 가장 차갑고 큰 적색초거성은 초기 질량 15~25 ''M''인 별에서 발달한다.[30]

더 무거운 청색초거성이 질량을 잃고 울프-레이에 별을 거쳐 백색왜성으로 생을 마감할지, 울프-레이에 별 단계에서 초신성으로 폭발할지, 아니면 청색초거성일 때 초신성으로 폭발할지는 명확하지 않다. 과거에는 적색초거성만 초신성으로 폭발한다고 예측했지만, SN 1987A의 원형이 B3형 청색초거성 샌덜릭 -69도 202a로 밝혀지면서[36] 청색초거성과 황색초거성을 포함한 다양한 유형의 별들이 초신성으로 폭발할 수 있다는 사실이 관측을 통해 밝혀졌다.[37] 청색초거성은 SN 1987A처럼 매우 밝거나, IIn형 초신성처럼 매우 밝은, 다양한 광도, 기간, 분광형을 가진 초신성 폭발을 일으킨다.[38][39][40]

2. 3. 초신성 폭발과의 관계

과거에는 적색초거성초신성으로 폭발할 것이라고 예측했다. 그러나 SN 1987A의 원형이 B3형 청색초거성인 샌덜릭 -69도 202a로 밝혀지면서 이러한 생각은 바뀌게 되었다.[36] 현재는 관측을 통해 청색초거성을 포함하여 진화한 큰 질량의 별 대부분이 초신성으로 폭발할 수 있다는 사실이 알려졌다.[37]

대부분의 초신성은 상대적으로 동일한 II-P형 초신성으로 적색초거성에 의해 발생하는 반면, 청색초거성은 다양한 유형의 초신성 폭발을 일으킨다. SN 1987A처럼 광도가 낮거나, IIn형 초신성과 같이 광도가 매우 높은 경우도 있는 등 폭넓은 범위의 광도, 기간, 분광형을 가진다.[38][39][40] 이는 별의 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

3. 물리적 특징

청색초거성은 극단적인 질량과 높은 광도로 인해 상대적으로 짧은 수명을 가진다. 대표적인 청색초거성인 리겔은 태양 질량의 20배, 광도는 태양의 117,000배에 달한다.

3. 1. 항성풍과 스펙트럼

청색초거성은 빠르고 희박한 항성풍을 방출하며, 일반적으로 스펙트럼에서 방출선을 보인다.[42] 극대거성은 매우 밝은 청색초거성으로, 강력한 연속체에 의해 구동되는 질량 손실을 나타내는 방출선이 스펙트럼을 지배한다. 청색초거성은 나이와 핵에서 핵합성의 생성물이 표면까지 대류되는 효율에 따라 스펙트럼에서 다양한 양의 무거운 원소를 보인다. 빠르게 자전하는 초거성은 내부 혼합이 잘 될 수 있으며, 핵에서 수소를 태우는 동안에도 높은 비율의 헬륨과 더 무거운 원소를 보일 수 있다. 이러한 별들은 울프-라이에 별과 매우 유사한 스펙트럼을 보인다.[25]

적색초거성의 항성풍은 밀도가 높고 느린 반면, 청색초거성의 항성풍은 빠르지만 희박하다. 적색초거성이 청색초거성이 되면, 더 빠른 항성풍이 이미 방출된 느린 항성풍에 영향을 미쳐 유출되는 물질이 얇은 껍질로 응축된다. 어떤 경우에는 적색초거성 단계의 이전 청색 루프나 LBV 폭발과 같은 폭발로 인해 연속적인 질량 손실 에피소드에서 여러 개의 동심원 형태의 희미한 껍질이 관측될 수 있다.[42]

3. 2. 분포 및 관측

청색초거성은 산개성단, 나선은하의 나선팔, 불규칙 은하와 같이 젊은 천체에서 주로 관측된다. 이들은 오래된 별로 구성된 것으로 여겨지는 나선은하의 핵이나 타원은하, 또는 구상성단에서는 드물게 관측된다. 그러나 최근에는 우리은하의 핵에서 몇몇 무거운 성단과 성협의 어리고 뜨거운 별들이 발견되기도 했다.[41][23]

리겔과 태양의 크기 비교


대표적인 청색초거성으로 오리온자리에서 가장 밝은 별인 리겔을 들 수 있다. 리겔의 질량은 태양의 20배고, 광도는 117,000배 정도 크다. 희귀성과 짧은 수명에도 불구하고, 매우 밝기 때문에 멀리 있어도 쉽게 관측되어 육안으로 보이는 별 중 많은 비율을 차지한다.

4. 청색초거성의 예

청색초거성은 희귀하지만 매우 밝기 때문에 육안으로도 관측 가능한 별들이 있다. 오리온자리리겔, 알닐람, 알니타크, 돛자리나오스, 큰개자리알루드라큰개자리 29, 백조자리데네브 등이 그 예이다.

4. 1. 주요 청색초거성

항성명분광형위치기타
리겔 (오리온자리 베타)청백색(B형)오리온자리적색 초거성 단계로 진화 중[26]
알닐람 (오리온자리 엡실론)청백색(B형)오리온자리 벨트 중앙
알니타크 (오리온자리 제타)청색(O형)오리온자리 벨트 동쪽 끝
나오스 (고물자리 제타)청색(O형)돛자리
알루드라 (큰개자리 에타)청백색(B형)큰개자리
큰개자리 29청색(O형)큰개자리
데네브 (α Cygni)청색(A형)백조자리적색 초거성 단계로 진화 중[28]
뮤 사지타리이B형궁수자리다중성계
UW 큰개자리청색(O형)큰개자리쌍성계
사이프 (오리온자리 카파)B0.5Ia오리온자리
카이2 오리오니스B2Ia오리온자리
5 페르세이B5Ia페르세우스자리
10 페르세이B2Ia페르세우스자리
오미크론2 큰개자리B3Ia큰개자리
람다 세페이O6.5I(n)fp세페우스자리
4 도마뱀자리B9Iab도마뱀자리청색 루프[2]
뉴 세페이A2Ia세페우스자리[2]
알파 기린자리O9Ia기린자리
시그마 백조자리A0Ia백조자리
오리온자리 κ별오리온자리
토성 ζ별불명
돛자리 γ²별돛자리
오리온자리 χ²별오리온자리
기린자리 α별기린자리
페르세우스자리 ζ별페르세우스자리


4. 2. 밝은 청색 변광성 (LBV)

전갈자리 제타¹별, 칼새자리 S별, 백조자리 P별, 용골자리 η별, 피스톨별(궁수자리), LBV 1806-20(궁수자리) 등은 밝은 청색 변광성(LBV)에 속한다. 밝은 청색 변광성은 청색초거성의 진화 단계 중 하나로, 극심한 질량 손실과 밝기 변화를 보이는 특징이 있다.[1]

참조

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[3] 논문 High-resolution spectroscopic study of massive blue and red supergiants in Perseus OB1 - I. Definition of the sample, membership, and kinematics https://www.aanda.or[...] 2020-11-01
[4] 논문 Type IIP Supernova Progenitors. III. Blue to Red Supergiant Ratio in Low-metallicity Models with Convective Overshoot 2020-05-01
[5] 논문 Red Supergiants, Yellow Hypergiants, and Post-RSG Evolution 2019-12-01
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