별의 밝기와 색

5등급 차이는 밝기로 정확히 100배이고, 그래서 시리우스는 북극성보다 약 25배 밝게 보입니다.

거꾸로 가는 눈금

천문학자들은 별이 얼마나 밝게 보이는지를 등급이라는 눈금으로 잽니다. 이 눈금은 처음 듣는 사람을 누구나 깜짝 놀라게 합니다. 숫자가 작을수록 더 밝기 때문입니다. 이 생각은 아주 오래되었습니다. 2세기에 프톨레마이오스가 만든 별 목록은 별을 여섯 무리로 나누었습니다. 가장 밝은 별들은 「1등급」이었고, 맨눈에 겨우 보이는 가장 어두운 별들은 6등급이었습니다. 1856년에 노먼 포그슨이 이것을 수학으로 바꾸었습니다. 그는 5등급 차이를 밝기로 정확히 100배가 되도록 정했습니다. 그러면 1등급 차이는 100의 다섯제곱근이 되는데, 그 값을 계산하면 약 2.512배입니다.

가장 밝은 천체까지 담으려면 이 눈금이 1등급보다 더 앞쪽으로 늘어나야 했습니다. 그래서 아주 밝은 별은 등급이 0 근처이거나 0보다 작습니다. 밝은 별 목록에서 베가는 0.03등급이고, 밤하늘에서 가장 밝은 별인 시리우스는 −1.46등급입니다. 행성은 이보다 더 밝아질 수 있어서, 예를 들어 금성은 약 −4등급까지 됩니다. 눈금의 반대쪽 끝에서 포그슨은 망원경 없이 사람이 볼 수 있는 가장 어두운 별을 6등급으로 잡았습니다. 다만 정말로 어두운 하늘 아래에서는 눈이 좋은 사람이 이보다 조금 더 어두운 별까지 볼 수 있습니다.

밝기 비율 계산하기

두 별의 밝기를 비교하려면 먼저 등급 차이 Δm을 구합니다. 그다음 2.512를 Δm번 곱하면 되는데, 더 정확하게 쓰면 10^(0.4 × Δm)입니다. 예를 들어 시리우스(−1.46)와 북극성(2.02)은 3.48등급 차이가 납니다. 그래서 시리우스가 10^(0.4 × 3.48) ≈ 24.7배 더 밝게 보입니다. 시리우스와 데네브(1.25)는 2.71등급 차이로, 시리우스가 약 12배 밝습니다. 6등급 별은 베가보다 약 244배 어둡습니다. 여기서 말하는 밝기는 모두 겉보기 밝기, 다시 말해 지구에서 별이 얼마나 밝게 보이는지입니다. 데네브는 실제로는 우리가 볼 수 있는 별 가운데 손꼽히게 밝은 별입니다. 다만 아주 멀리 떨어져 있기 때문에 우리 눈에는 수수하게 보일 뿐입니다.

별은 몇 개나 보일까

밝은 별 목록에는 천체 9,110개가 실려 있고, 6.5등급까지의 별이 거의 다 들어 있습니다. 목록의 항목을 세어 보면, 온 하늘을 통틀어 6.0등급이거나 그보다 밝은 별은 5,080개입니다. 그런데 어느 순간이든 하늘의 절반만 지평선 위에 있습니다. 또 지평선 가까이에 있는 별은 두꺼운 공기층을 지나오느라 빛이 어두워집니다. 그래서 아무리 맑은 밤이라도 한 번에 보이는 별은 많아야 2천 개 남짓입니다. 한편 도시에서는 가로등 불빛이 배경 하늘을 밝혀서 어두운 별을 덮어 버립니다. 그래서 도시에서는 3~4등급보다 밝은 별만 남을 때가 많습니다. 목록 전체에서 4.0등급이거나 그보다 밝은 별은 518개뿐입니다. 이 518개에 별자리 선을 그리는 데 쓴 조금 더 어두운 별 몇 개를 더한 것이, 이 과정의 모형에 나오는 별들입니다.

별의 색

자세히 보면 별이 모두 흰색인 것은 아닙니다. 베텔게우스는 뚜렷한 주황빛이고, 리겔은 푸르스름한 흰빛이며, 안타레스는 붉은빛, 카펠라는 노르스름한 빛입니다. 별의 색은 그 별 표면의 온도를 알려 줍니다. 차가운 별은 빨강이나 주황으로 빛나고, 뜨거운 별은 하양이나 파랑으로 빛납니다. 천문학자들은 파란 필터(B)로 잰 밝기와 노란 초록 필터(V)로 잰 밝기를 비교해서 별의 색을 잽니다. 그 차이 B−V를 색지수라고 부릅니다. 리겔처럼 뜨거운 청백색 별은 B−V가 0에 가깝고(목록에서 −0.03), 베텔게우스는 1.85, 안타레스는 1.83입니다. 모형은 별마다의 B−V를 흔히 쓰는 근사식으로 색으로 바꾸어 보여 줍니다. 그래서 모형에서는 겨울과 여름 하늘의 주황빛 거성들이 눈에 잘 띕니다.

어두운 별은 실제로는 붉은 별이라도 왜 하얗게 보일까요? 우리 눈에서 색을 느끼는 세포는 원뿔세포입니다. 그런데 원뿔세포는 어둠 속에서 일하는 막대세포보다 빛이 더 많이 있어야 제대로 움직입니다. 그래서 별빛이 어느 밝기보다 어두워지면 막대세포만 반응하게 됩니다. 그런데 막대세포는 색을 구별하지 못합니다. 이 때문에 별의 색은 가장 밝은 별들에서 가장 잘 보입니다. 그리고 빛을 더 많이 모으는 쌍안경으로 보면, 맨눈으로 볼 때보다 별의 색이 훨씬 잘 드러납니다.