| H-R도 | ||
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| H-R도의 모습 |
1. 개요
H-R도(Hertzsprung-Russell diagram, 헤르츠스프룽-러셀 도)라고 부른다.항성들을 밝기와 온도에 따라 나누어 놓은 등급도이다. 아이나르 헤르츠스프룽과 헨리 노리스 러셀이라는 과학자가 비슷한 시기에 각각 독자적으로 만들어서 그들의 이름을 따 H-R도라고 부른다. 세로축은 항성의 절대 등급 또는 광도로 나타내고,가로축은 항성의 표면 온도 또는 스펙트럼형(분광형)으로 나타낸다. 일반적으로 태양을 기준으로[1] 나타내며, 별의 위치가 어디에 있느냐에 따라 별의 종류를 알 수 있다. 별의 일생을 나타낼 때에도 많이 쓰인다. 성단 이상의 천체를 연구할 때 H-R도 분석은 거의 필수적이며, 가장 기본적인 툴이다.
관측적으로는 항성의 등급과 색지수를 기준으로 도표를 작성하므로 색등급도(Color-Magnitude diagram)라고 부르기도 한다.
2. 별의 종류
왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 이어지는 대각선 영역에 존재하는 별들은 주계열성으로, 왼쪽 위로 갈수록 (온도 또는 광도가 높을수록) 반지름과 질량이 크지만 진화 속도가 빨라 수명이 짧다.[2]오른쪽 상단에 존재하는 별들이 적색 거성으로, 중심의 헬륨핵에서 헬륨 핵융합 반응이 일어나 면적은 더 넓어지고 부피가 팽창하게 된다. 이로써 표면 온도는 낮아지지만 (H-R도에서 오른쪽으로의 이동) 부피의 팽창 속도가 훨씬 빨라 별은 더 밝아진다. (HR도에서 위쪽으로의 이동)
왼쪽 하단에 존재하는 별들이 백색왜성으로, 거성이나 초거성의 폭발 (초신성) 이후 수축하여 만들어진다. 따라서 온도는 높아지지만 (H-R도에서 왼쪽으로의 이동) 별의 부피가 작아지므로 광도는 낮아진다. (H-R도에서 아래쪽으로의 이동)
가운데 상단에는 황색거성이, 왼쪽 상단에는 청색거성이 있다. 그 상단으로는 적색초거성, 황색초거성, 청색초거성 등 초거성이, 더욱 상단으로는 극대거성이 있다.
표의 맨 왼쪽인 분광형 O형 항성의 경우 주계열성과 초거성의 구분이 점점 어려워진다.
별의 유형은 I부터 V까지 로마 숫자로 구분되는데, I가 초거성(supergiant), II가 밝은거성(bright giant), III가 거성(giant), IV가 준거성(subgiant), V가 주계열성 또는 왜성(dwarf)을 가리킨다. OBAFGKM 분광형 뒤에 함께 나타내어 별을 구분한다.
3. 별의 진화
HR도가 단순히 별의 종류나 보자고 쓰인다면 그저 한번 보고 지나갔을 테지만 당연히 이게 끝이 아니다. 바로 별의 진화의 경향이 단 한 장의 그래프에 나오게 되는 강력한 툴이다. 때문에 전공자들은 이 HR도의 해석에 한 학기를 투자하게 된다. 세부 전공 분야에 따라 차이는 있지만 애초에 이거 해석하지 못하면 졸업을 할 수 없다.이런 식으로 별의 진화 과정을 표현해낸다.[3]
여담으로 태양 질량 0.8배 미만의 별들은 무시되는 경우가 흔한데, 이들은 현 우주의 나이(약 138억 년)보다 수명이 길어 최종 진화 단계에 도달하지 못하였기 때문이다. 시뮬레이션에 따르면 태양 질량의 0.25배 미만부터는 적색거성이 되지 않으며, 청색왜성이 되어 HR도의 왼쪽 방향으로 이동한다고 한다.
4. 구조
일반적으로 다양한 세대와 연령의 항성들이 묶여 있는 은하의 H-R도와 비슷한 연령과 화학적 조성을 공유하는 성단의 H-R도가 사용된다. 특히 동시에 탄생한 항성들이 묶여 있는 성단의 H-R도는 항성들의 진화 과정을 묶어 놓은 동연령선(Isochrone)과 동일하게 취급될 수 있기 때문에 항성의 진화와 해당 성단의 역사를 파악하는 데 중요한 자료가 된다.
주로 비슷한 세대의 항성들이 모여 있는 성단 및 은하의 특정 지역(예: 헤일로)에서는 고유한 구조들이 발견되며 이는 항성 진화 과정과 밀접한 관련이 있다. 이러한 구조들은 계열(sequence), 가지(branch), 덩어리(clump) 등으로 표현된다.
4.1. 주계열
Main Sequence (MS). H-R도에서 주계열성이라 부르는 대부분의 항성들이 모여 있는 지역이다. H-R도 상에서는 어둡고 차가운 오른쪽 아래에서 뜨겁고 밝은 왼쪽 위를 향해 뻗은 S자 곡선으로 나타난다.4.1.1. 영년주계열
Zero Age Main Sequence. 줄여서 ZAMS(잼스)라고 부른다. 처음 만들어 졌을 때 주계열성의 위치를 HR도 상에서 찍은 후 연결하면 얻을 수 있다.4.1.2. 주계열 전향점
Main Sequence Turn-Off (MSTO), 주계열에 위치한 항성이 진화하는 지점을 지칭하며 주로 동연령대의 늙은 항성들이 모여 있는 구상성단에서 뚜렷하게 나타난다. 전향점은 해당 연령을 가진 항성이 주계열성으로서 존재할 수 있는 나이의 최대값을 의미하며 이 전향점의 위치를 통해서 해당 성단의 나이를 알 수 있다.4.1.3. 청색 낙오성
Blue Stragglers (BS), 전향점을 넘어선 주계열 지역에 항성이 존재하는 경우가 있는데, 이들을 청색 낙오성이라고 한다.4.2. 준거성가지
Subgiant Branch (SGB), 주계열을 처음으로 벗어난 항성이 진입하게 되는 구역이다. 이름처럼 준거성에 해당하는 항성들이 위치해 있다. 항성은 이 구역에 존재하는 동안 껍질 수소 연소 과정을 시작하게 된다.4.3. 적색거성가지
Red Giant Branch (RGB), 준거성가지를 벗어난 항성들이 광도가 급격하게 높아짐에 따라 진입하는 구역이다. 이름처럼 대부분의 항성들이 적색거성으로 존재하나, 엄밀히 말해서는 준거성가지를 막 벗어난 상태의 백색거성이나 황색거성도 포함될 수 있다.4.3.1. 적색거성가지 말단
Tip of the Red Giant Branch (TRGB), 적색거성가지가 끝나는 지점이며, 성단이나 은하의 H-R도 오른쪽 위 끝에 존재하는 뾰족한 변곡점으로 나타난다. 이 지점에 위치한 항성은 곧 헬륨 섬광을 일으켜 급격한 광도 변화를 겪는다. TRGB는 그 특성상 은하의 화학적 조성이나 연령에 따른 광도 변화가 크지 않고 비교적 밝은 지점에 위치해 있기 때문에 거리 사다리에서 은하까지의 거리를 재는 데 중요한 표준광원으로 사용된다.4.4. 수평가지
Horizontal Branch (HB), 중원소 함량이 적은 종족 II 항성이 헬륨 섬광을 일으킨 후 이동하게 되는 구역이다.4.4.1. 청색수평가지
Blue Horizontal Brnach (BHB)4.4.2. 극단수평가지
Extreme Horizontal Branch (EHB)4.5. 적색덩어리
Red Clump (RC), 중원소 함량이 많은 종족 I 항성이 헬륨 섬광을 일으킨 후 이동하게 되는 구역이다.4.6. 점근거성가지
Asymptotic Giant Branch (AGB)4.7. 백색왜성
White Dwarfs (WD)4.8. 불안정띠
Instability Strip (IS), 항성이 불안정해지는 온도와 반지름 조건에 해당하는 구역으로, H-R도 상에서 대각선의 띠 모양으로 나타난다. 이 구역에 들어선 항성은 맥동 변광성이 된다.5. 은하의 색등급도
비슷한 원리로 은하의 색등급도도 그려볼 수 있다. 색등급도 내에 들어가는 점 하나하나를 항성에서 은하로 대체한 버전이다. 항성과는 달리 주로 x축을 등급으로 쓰고 y축을 색으로 쓴다는 점이 특징이다.
색등급도 상에서의 은하들의 분포는 두 개의 명확한 덩어리로 나누어진다. 위쪽에 존재하는 길다란 줄 모양의 분포는 적색계열(Red sequence) 라고 부르며 늙은 별들로 이루어진 타원은하나 렌즈형 은하 등이 주로 위치해 있다. 아래쪽의 넓은 영역은 청색 구름(Blue cloud)라고 부르며 나선은하와 같은 활발한 별 탄생이 이루어지는 은하들이 위치한다. 적색계열과 청색 구름 사이에는 은하가 별로 없는 구간이 있는데 이곳을 흔히 녹색 골짜기(Green valley)라고 부른다.