물리 28. H-R도

별의 광도와 색은 별의 물리적 상태와 진화를 반영한다. 광도-색 관계를 나타낸 H-R도가 있다. H-R도의 가로축에는 표면온도, 분광형, 색지수(B-V)가 혼용돼 쓰인다. 그럴 수 있는 까닭은 무엇인가? 또한 적색거성 집단은 주계열성 집단에 비해 표면온도가 같을 때 훨씬 밝다. 그 이유는 무엇인가?

 

 

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28.1. H-R 도

천문학자 헤르츠스프룽(Hertzsprung. E.)와 러셀(Russell, H. N.)이 각각 태양 부근에 있는 별들의 절대 등급과 스펙트럼형을 조사하여 그래프로 작성한 것. 몇 개의 별의 집단으로 분류된다는 것을 알게 됨.

① 가로축 – 스펙트럼형(분광형), 표면온도, 색지수

② 세로축 – 절대등급, 광도

 

28.2. H-R 도를 통해 알 수 있는 별의 특징

① 특정 영역에 분포, 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 갈수록 반지름이 커짐

② 스펙트럼형에서 별의 절대등급(M) 추정, 겉보기 등급(m) 관측 → 거리지수(m-M = 5logR-5)를 이용하여 거리 측정

③ 별의 물리적 성질뿐만 아니라 진화 등을 연구하는 데 중요한 역할을 함

 

28.3. 별의 질량 – 광도 관계

별의 질량과 광도 측정

• 질량 측정 : 쌍성계를 이루는 두 별의 질량은 알려진 궤도에 케플러 3법칙을 적용하여 구함.
• 광도 측정 : 분광형으로 광도 측정

 

항성의 질량과 광도와의 관계

• 주계열성인 경우 질량에 따른 광도의 크기가 결정 : L이 M^3에 비례
• H-R도 상에서 표면온도가 높아질수록 (스펙트럼 M→O) 광도와 함께 질량이 증가함
• 주계열성에서 광도 또는 절대 등급을 알면 쌍성이 아니더라도 질량을 구할 수 있음
• 거성, 초거성, 백색왜성에서는 성립되지 않음

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28.4. 별의 광도 계급

광도계급(luminosity class)

• 표면온도는 같으나 크기가 달라 나타나는 별들의 광도 차이를 드러내기 위한 계급.
• 별의 스펙트럼에 나타나는 흡수선의 폭을 바탕으로 함
• 거성은 왜성보다 선폭이 좁다.

 

M-K 광도 분류 방식(M-K 광도 분류법)

• 모건(William W.Morgan)과 키넌(Philip C. Keenan)의 광도 분류법, 분광형과 스펙트럼선의 폭까지 고려하여 광도 계급을 설정

 

동일한 분광형 일 경우 거성이 왜성(주계열성)보다 스펙트럼 선폭이 가는 이유

• 왜성과 거성의 질량이 비슷할 경우, 거성의 반지름이 왜성의 반지름보다 훨씬 큼
• 거성표면에서 중력가속도가 왜성보다 훨씬 작아 대기 가스 밀도와 압력이 왜성보다 매우 작음.
• 왜성은 거성보다 대기 가스 밀도와 압력이 높아 입자들 사이 가까이 근접할 기회가 자주 생김.
• 서로 근접하면서 전기장 교란에 의해 에너지준위에 변화가 생겨 선폭이 두꺼워짐. 밀도가 증가할수록 선폭이 증가
• 대단히 밝은 별의 수소선들의 선폭은 좁은 반면, 주계열성에서는 넓고 백색왜성에서는 대단히 넓어짐

 

 

 

Solution

색지수, 분광형 모두 별의 표면온도와 관련된 함수이기 때문에 이 세가지를 혼용할 수 있다. 별의 표면온도에 따라 분광형(스펙트럼형)이 달라진다. 분광형은 흡수선의 세기와 종류에 따라 7가지로 구분한다.

이는 별의 표면온도에 따라 이온화하는 원자의 종류와 전리도가 달라져 흡수하는 에너지 파장이 달라지기 때문이다. 또한 색지수도 고온의 푸른색 별은 (-)값을, 저온의 붉은색별은 (+)값을 가지면 표면온도와 관련이 있다. 색지수는 사진등급에서 안시등급을 뺀 차이를 말한다. 사진건판은 푸른색에 민감하고, 우리 눈은 노란색에 민감하다. 이런 차이를 이용한 것이 색지수이다.

고온의 별일수록 빈의 법칙에 따라 푸른색 파장이 강하고 저온의 별일수록 붉은색이 강하다. 따라서 고온의 별일수록 색지수가 작게 나오고 저온의 별일수록 색지수가 크게 나온다. 흰색 별은 색지수가 0이다. 따라서 H-R도의 가로축은 표면온도, 분광형, 색지수를 혼용해 사용할 수 있는 것이다.

 

크기(반지름) 차이 때문이다. 모두 표면온도는 같으나 절대등급, 즉 밝기에서는 상당한 차이를 보인다. 스테판-볼츠만 식에 의하면 별이 단위시간당 방출하는데 총 에너지

별으로 밝기는 표면온도가 같다면 반지름의 제곱에 비례한다. 따라서 적색거성은 태양 반지름의 수십 배이므로 밝기는 수백 배에서 수천 배 차이가 난다.