[2023]VII-1-01. 별과 우주 3

2. 별의 밝기

별은 여러 가지 특성을 나타낸다. 많은 별의 특성 중 우리는 별의 밝기와 온도에 대해 다루어 보도록 하겠다. 먼저 손전등이 나에게 비추는 상황을 생각해 보자. 손전등이 멀어질수록 손전등의 상대적인 밝기는 어떻게 되는가? 점점 어두워질 것이다. 이렇듯, 기본적으로 빛을 내는 천체인 별의 밝기는 별과 관측자 사이의 거리가 멀어질수록 감소하게 된다. 정확하게는, 별의 밝기는 거리의 제곱에 반비례한다.

Q1. 별이 2배 멀어진다면 별의 밝기는 몇 배 어두워지는가?²⁾

Q2. 별이 3배 가까워진다면 별의 밝기는 몇 배 밝아지는가?³⁾

이러한 별의 밝기는 고대 그리스의 과학자인 히파르코스에 의해 집대성되었다. 히파르코스는 무려 맨눈으로 관측한 별들을 밝기로 구분하였는데, 가장 밝은 별을 1등급, 가장 어두운 별을 6등급으로 정하였다. 그러나 사실 밝기는 상대적이므로, 예컨대 0.6~1.5등급 사이의 별은 모두 1등성이 된다. 등성이란, 일정 범위의 별의 등급을 대표하는 값이다. 현재는 관측 기술의 발전으로 더 이상 맨눈으로만 관측할 이유는 없다. 따라서 더 밝은 등급의 별들이 관측되었으며 0등급, -1등급.. 등으로 매긴다. 또한, 당연히 각 등급 사이의 별은 소수점을 이용하여 표기할 수 있다. 예컨대 2.1등급인 별은 2등급보다는 어두우며, 3등급보다는 밝은 별이다. 각 등급은 약 2.5배 차이의 밝기를 가진다. 5등급 차이에서는 밝기가 약 100배 차이가 난다.

그림 7은 등급별 별의 밝기를 나타낸 것이다. 각 등급간 밝기는 2.5배의 차이가 난다. 즉, 1등급 차이는 2.5배의 밝기 차이가 존재하는 셈이다. 이후 순서대로 확인해 보면 2등급 차이는 약 6.3배의 밝기 차이가 난고, 3등급 차이는 약 16배, 4등급 차이는 약 40배이며, 5등급 차이는 약 100배의 밝기 차이가 난다. 또한 통상적으로 6등급의 별은 전구 1개 정도의 밝기와 같다.

 

등급 간 밝기 차이는 1등급 차가 2.5배, 5등급 차가 100배임을 기억해 둔다면, 다른 등급 차는 필수 암기사항은 아니나, 많은 문제를 풀다 보면 자연스레 외워지게 될 것이다.

3. 겉보기 등급과 절대 등급

위에서 별의 밝기를 집대성한 히파르코스는 별의 상대적인 밝기를 등급으로 구분하였다고 했다. 그런데 이것에는 하나의 문제점이 존재하는데, 그것은 바로 지구에서 바라본 별의 밝기는 거리의 제곱에 비례한다는 사실이다. 다시 말해, 이는 우리가 보는 상대적인 별의 밝기일 뿐 실제 별의 밝기가 아니라는 의미이다. 별은 지구에서 관찰하므로, 밝기는 거리와 빛의 방출량 모두에 영향을 받게 되며, 이에 따라 두 별 간 정확한 밝기 차이를 비교하기에 어려움이 있다.

우리 눈에 보이는 그대로의 별의 밝기를 겉보기 등급이라고 한다. 한편, 별이 10 pc의 거리에 있다고 가정했을 때의 밝기를 절대 등급이라고 한다. 따라서 겉보기 등급과 절대 등급은 다음의 특징을 가진다.

* 겉보기 등급은 별까지의 실제 거리를 고려하지 않는다. (눈에 보이는 그대로를 측정한다)

* 겉보기 등급이 작을수록 우리 눈에 밝게 보인다.

* 절대 등급은 별의 실제 밝기를 비교할 수 있다. (같은 거리에서 비교하기 때문이다)

* 절대 등급이 낮을수록 실제로 밝은 별이다.

한편 별까지의 거리 판단 요소로서 겉보기 등급과 절대 등급의 차이를 활용한다. 이는 시험문제에 빈출되므로 정확하게 이해하고 넘어가는 것이 중요하겠다. 다음의 공리를 이해해 보자. 공리라고 이야기한 까닭은 많이 반복해서 마치 구구단처럼 당연해질 수 있도록 연습을 부탁한다는 의미이다.

① 겉보기 등급과 절대 등급이 같다면 별의 거리는 10 pc이다.

절대 등급의 정의는 별이 10 pc에 있을 때를 기준으로 한 별의 밝기이다. 즉, 겉보기 등급과 절대 등급이 같다면 별과 지구 사이의 거리는 10 pc인 것이다.

② 겉보기 등급과 절대 등급의 차이가 음의 값이면(<0) 10 pc보다 가까이에 있는 별이다. (절대 등급이 더 크다면)

겉보기 등급이 2등급이고, 절대 등급이 5등급인 하나의 별을 가정해 보자. 다음 질문에 대답해 보자.

Q1. 2등급과 5등급 중 무엇이 더 밝은 것인가?⁴⁾

Q2. 같은 별을 기준으로, 지구와의 거리가 가까울수록 별의 밝기는 어떻게 되는가?⁵⁾

Q3. 겉보기 등급이 절대 등급보다 가깝다면, 별의 거리는 10 pc과 비교하여 어떠한가?⁶⁾

③ 겉보기 등급과 절대 등급의 차이가 양의 값이면(>0) 10 pc보다 멀리 있는 별이다.

한번 더 질문에 답해 보자. 겉보기 등급이 5등급이고, 절대 등급이 2등급인 하나의 별을 가정하자.

Q4. 5등급과 2등급 중 무엇이 더 밝은 것인가?⁷⁾

Q5. 같은 별을 기준으로, 지구와의 거리가 가까울수록 별의 밝기는 어떻게 되는가?⁸⁾

Q6. 절대 등급이 겉보기 등급보다 가깝다면, 별의 거리는 10 pc과 비교하여 어떠한가?⁹⁾

4. 별의 색깔과 온도

별의 표면 온도를 직접 가서 측정할 방법은 현대 과학의 한계상 존재하지 않으므로, 우리는 별의 온도를 별의 색을 통해서 추정한다. 모든 별은 표면의 온도가 다르며, 이러한 온도에 따라 우리가 관측하는 별의 색이 달라지게 된다.

 

초등학교때 배운 개념을 상기해 보자. 가스레인지의 불꽃은 파란색이 더 뜨거울까 빨간색이 더 뜨거울까? 파란색임을 우리는 잘 알고 있다. 일반적으로, 표면 온도가 높은 별은 파란색을 띠며, 표면 온도가 낮은 별은 붉은색을 띤다.

 

오리온자리의 베텔게우스와 리겔 별을 보면(그림 8), 베텔게우스는 붉은색에 가까운 빛을 내며, 리겔은 청백색의 빛을 낸다. 따라서, 베텔게우스보다 리겔의 표면 온도가 더 높을 것으로 예상할 수 있다. 이를 정리한 표를 확인해 보자.

그림 9는 별의 색깔과 표면 온도를 나타낸 것이다. 청색의 별이 가장 온도가 높으며, 온도가 낮아질수록 붉은색 방향으로 가는 경향을 가진다. 실전적으로, 청백색이나 황백색의 온도를 구분할 때는, 청백색은 청색, 황백색은 백색에 가깝다고 생각하면 편리하다.

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2) 4배 어두워진다. 밝기가 1/4이 된다.
3) 9배 밝아진다.
4) 2등급
5) 밝아진다
6) 10 pc보다 가깝다
7) 2등급
8) 밝아진다
9) 10 pc보다 멀다

Edited 23.11.11
Edited by 푸른삿포로