별의 표면온도

우리의 밤하늘에 빛나는 매우 많은 별들 별 속에서는 핵융합 반응이라는 수소 원자 4개가 붙어 헬륨이 되는 반응이 일어나고 있고 그때 나오는 에너지로 빛나고 있다는 사실은 많은 사람이 알고 있는 대로입니다 별을 잘 관찰하여 보면 여러 가지 색을 가지고 있습니다. 겨울의 대표적인 일등성 중에서 흰색 별 시리우스, 노란 별 프로키온, 붉은 별 베텔기우스, 푸른 별 리겔 등. 이것은 별의 온도가 다르기 때문입니다 구체적으로 보다 자세히 말하면 별의 표면 온도입니다 붉은 별은 온도가 낮고 3000도 정도에서 태양은 노란색 별로 6000도, 그리고 푸른 별에서는 30000도 정도까지 있습니다 별의 표면에서 빛을 내기 위해 별 속에서 불타고 (반응이 일어나고) 있는 것입니다만, 내부의 반응과 결과적으로 가시적으로 보이는 별의 표면 온도(=색)는 도대체 어떤 관계가 있는지 알아보겠습니다

질량이 작은 별의 내부에서는 온도가 낮고 원자의 운동이 둔하기 때문에 핵융합 반응이 일어나기 어려워 발생하는 에너지도 적습니다 질량이 큰 별의 내부에서는 온도가 높고 원자의 운동이 빠르기 때문에 핵융합 반응이 일어나기 쉬우며 발생되는 에너지도 많습니다 별 내부에서 핵융합 반응을 일으키려면 약 1천만도 이상의 온도가 필요합니다 즉 별의 내부는 초고온 상태에 있습니다 질량이 큰 별일 수록 온도가 높아져 많은 에너지를 낼 수 있는 것입니다 이 에너지 발생률은 온도에 민감하고 온도가 조금 오르면 나오는 에너지가 어느 정도 증가하게 됩니다 중심에서 생긴 에너지는 빛의 형태로 운반됩니다(방사) 하지만 별 속에는 물질이 가득하기 때문에 빛은 곧바로 흡수되고 방사되어 매우 천천한 속도로 별의 표면 근처까지 오게 됩니다 중심에서 표면에 나올 때까지 1천만 년이나 걸린다고 계산되고 있습니다 이 말인즉슨, 지금 보이고 있는 태양의 빛도 1천 만 년 정도 전에 태양의 내부에서 태어난 에너지라는 말이 됩니다

한편, 내부에서 만들어지는 에너지(열)에 의한 압력과 별의 질량에 의한 중력의 균형으로 별의 반경도 결정되게 됩니다 이것은 그 이름에서도 알 수 있듯이 별이라는 풍선 같은 것이 자신의 중력으로 줄이려고 하는 힘과 별 내부의 온도가 높기 때문에 열운동에서 퍼지려는 힘이 붙어 있다는 상태입니다 이렇게 해서 별의 반경이 정해지면 표면 적도 정해져 내부에서 표면까지 온 전체 에너지(광도)를 그 표면적으로 방출할 때 몇 도의 온도가 되고 별의 표면에서 나타나는지가 정해지는 것입니다 이 표면적과 에너지의 양과의 관계에 의하여 질량이 큰 별은 다량으로 내부에서 에너지가 만들어지는 반면에, 그에 비해 표면적은 크지 않기 때문에, 온도를 높여서 많이 에너지를 낼 수밖에 없습니다 한편 별이 진화하고 주 계열의 단계가 끝나고 헬륨이 탄소나 산소가 된다고 하는 반응으로 빛나는 거성 단계가 되면, 에너지 발생의 구조가 바뀌기 때문에 내부의 밸런스도 변화되고 반경이 커져 빨간색에 해당하는 온도에서 빛을 내게 됩니다 베텔기우스 등 우리가 평소 잘 보는 붉은 1등성은 이런 거성의 단계에 있습니다