헤르츠스프룽-러셀도

ESA의 가이아 위성은 400만 개가 넘는 별을 색과 밝기의 그래프 하나에 올렸습니다.

별을 나누어 보여 주는 그래프

1900년대 초에 두 천문학자가 각자 따로 별을 그래프에 점으로 찍어 보았습니다. 한 사람은 덴마크의 아이나르 헤르츠스프룽이고, 다른 한 사람은 미국의 헨리 노리스 러셀입니다. 두 사람은 별의 밝기와 색, 또는 분광형을 축으로 삼았습니다. 별이 아무렇게나 흩어져 있다면 점들도 그래프 사방에 흩어졌을 것입니다. 하지만 그렇지 않았습니다. 대부분의 별은 비스듬한 띠 하나를 따라 놓였습니다. 그 위쪽에는 밝고 차가운 별들이 따로 무리를 이루었고, 나중에는 그 아래쪽에서 어둡고 뜨거운 별 무리도 나타났습니다. 이 그래프를 지금은 헤르츠스프룽-러셀도, 줄여서 HR도라고 부릅니다. 천문학에서 가장 많이 쓰는 도구 가운데 하나입니다.

이 그래프에는 사람들을 헷갈리게 하는 습관이 두 가지 있습니다. 첫째, 온도가 거꾸로 가서 왼쪽이 뜨겁습니다. 예전부터 분광형 O B A F G K M을 왼쪽에서 오른쪽으로 써 왔기 때문입니다. 둘째, 두 축이 모두 로그 눈금입니다. 광도 축에서는 한 칸 올라갈 때마다 빛이 10배씩 늘어나서, 태양의 1만분의 1부터 태양의 100만 배까지 이어집니다. 이렇게 하지 않으면 태양과 어두운 별들은 그래프 맨 아래에 보이지도 않는 가는 선으로 눌려 버립니다.

별의 무리

• 주계열: 왼쪽 위의 뜨겁고 밝은 별부터 오른쪽 아래의 차갑고 어두운 적색 왜성까지 이어지는 비스듬한 띠입니다. 중심에서 수소를 융합하는 별들입니다. NASA에 따르면 별의 약 90%가 주계열성이고 태양도 그중 하나입니다.
• 거성: 주계열 위쪽의 차갑지만 밝은 별로, 아르크투루스와 알데바란이 그 예입니다. ESA는 별이 나이 들어 부풀면서 주계열을 떠나 오른쪽으로 꺾이는 가지를 적색 거성 가지라고 설명합니다.
• 초거성: 그래프 맨 위의 리겔, 베텔게우스 같은 별로, 태양의 수만 배 이상의 빛을 냅니다.
• 백색 왜성: 왼쪽 아래의 뜨겁지만 어두운 별로, 시리우스 B처럼 태양 같은 별이 남긴 중심핵입니다.

백색 왜성은 뜨거운데 왜 어두울까요? 색 단원에서 본 식인 광도 = 반지름² × (온도 ÷ 5,772)⁴을 써 봅시다. 시리우스 B의 표면 온도는 약 25,200 K입니다. 온도만 놓고 보면 시리우스 B는 1제곱미터마다 태양 표면보다 360배나 밝게 빛납니다. 그런데 이 별의 반지름은 태양의 0.0086배밖에 되지 않고, 0.0086²은 약 0.000074입니다. 이 두 값을 곱하면 별 전체가 내는 빛은 태양의 약 0.027배에 그칩니다. 베텔게우스는 이와 반대입니다. 베텔게우스는 태양보다 차갑기 때문에 1제곱미터마다 나오는 빛은 태양보다 어둡습니다. 하지만 표면적이 태양의 약 524,000배나 되기 때문에, 별 전체로는 태양 수만 개처럼 밝게 빛납니다.

모형에 그려진 점선이 바로 이것을 보여 줍니다. 한 점선 위에 있는 별은 모두 반지름이 같습니다. 이 점선들은 왼쪽 아래의 태양 0.01배부터 오른쪽 위의 태양 1,000배까지 이어집니다. 백색 왜성은 0.01 선 근처에 놓여 있고, 주계열은 약 0.1부터 약 10까지의 선을 가로지르며, 초거성은 1,000 선 쪽까지 닿습니다. 그래서 그래프에서 별의 자리를 읽으면 세 가지를 한꺼번에 알 수 있습니다. 바로 별의 온도, 광도, 크기입니다.

한 장의 사진이지 길이 아닙니다

주계열을 모든 별이 따라 걸어가는 하나의 길처럼 읽고 싶어지기 쉽습니다. 하지만 NASA의 교육 자료는 그렇지 않다고 짚어 줍니다. 주계열은 질량이 서로 다른 여러 별을 한순간에 찍은 단체 사진에 가깝다는 것입니다. 별의 질량이 주계열 위에서 그 별의 자리를 정합니다. 무거운 별은 왼쪽 위에, 가벼운 별은 오른쪽 아래에 있습니다. 그리고 별은 일생의 대부분을 그 자리 근처에서 보냅니다. 중심의 수소가 바닥나야 비로소 그 자리를 떠나, 위쪽 오른편으로 옮겨 가 거성이 됩니다. 모형에서 「태양의 앞날」을 켜 보세요. 태양이 앞으로 걸을 것으로 예상되는 대략의 길이 보입니다. 태양은 거성 가지를 따라 올라갔다가, 나중에 백색 왜성 쪽으로 내려옵니다. 다만 이 선은 계산해서 그린 것이 아니라 대략 그려 본 개략도입니다.