지구과학 고2 태양계 천체와 별과 우주의 진화

H-R도

H-R도에서 주계열성·거성·초거성·백색왜성의 분포와 별의 특성을 분석한다.

H-R도는 가로축에 표면 온도(또는 분광형·색지수), 세로축에 광도(또는 절대 등급)를 놓고 별을 점으로 찍은 그림으로, 별들이 주계열·거성·초거성·백색왜성이라는 몇 개의 무리로 뚜렷하게 나뉘어 나타납니다.

사람들의 키와 몸무게를 흩뿌려 찍으면 아무렇게나 퍼질 것 같지만 실제로는 한 줄기 띠를 이룹니다. 별도 그렇습니다 — 온도와 광도를 마음대로 고를 수 있는 것이 아니라, 정해진 자리에만 놓일 수 있습니다.

쉽게 말하면

별의 물리량과 별의 광도와 등급에서 별의 표면 온도와 광도를 각각 구하는 법을 배웠습니다. 그리고 별의 스펙트럼과 분류는 온도를 O·B·A·F·G·K·M이라는 분광형으로 정리해 주었습니다. 이 두 값을 축으로 삼아 별들을 한 장의 그래프에 찍어 보자는 것이 H-R도의 발상입니다.

주의할 점이 하나 있습니다. 가로축이 거꾸로입니다. 왼쪽이 고온, 오른쪽이 저온입니다. 분광형 O·B·A·F·G·K·M 순서를 그대로 왼쪽부터 놓았기 때문인데, 처음 보면 반드시 헷갈리므로 축 방향부터 확인하는 습관을 들이세요. 세로축은 위로 갈수록 밝습니다(광도가 크거나 절대 등급의 값이 작습니다).

결과는 놀랍습니다. 별들이 아무 데나 흩어지지 않고 몇 개의 무리에 몰립니다. 가장 두드러진 것은 왼쪽 위(고온·고광도)에서 오른쪽 아래(저온·저광도)로 대각선으로 이어지는 띠, 즉 주계열성입니다. 별의 약 90%가 여기에 있습니다. 오른쪽 위에는 온도가 낮은데도 광도가 큰 별들이 있습니다 — 온도가 낮은데 밝으려면 표면적이 거대해야 하므로( $L \propto R^{2} T^{4}$ ), 이들은 반지름이 엄청난 거성과 초거성입니다. 왼쪽 아래에는 뜨거운데도 어두운 별들이 있습니다 — 뜨거운데 어두우려면 표면적이 극히 작아야 하므로, 이들이 백색왜성입니다.

즉 H-R도의 위치는 곧 별의 크기를 말해 줍니다. 오른쪽 위로 갈수록 크고, 왼쪽 아래로 갈수록 작습니다. 그리고 이 무리들은 별의 서로 다른 '종족'이 아니라 서로 다른 '일생의 단계'입니다. H-R도가 별의 진화의 지도가 되는 이유가 여기에 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

오른쪽 위의 별은 왜 거대할 수밖에 없는가

$L \propto R^{2} T^{4}$

오른쪽 위는 ' $T$ 는 작은데 $L$ 은 크다'는 뜻입니다. $T^{4}$ 가 작아지는 것을 이겨 내고 $L$ 이 커지려면 $R^{2}$ 가 아주 커야 합니다. 그림 위의 위치 하나가 별의 반지름을 강제하는 셈입니다.
예시 2

왼쪽 아래의 별은 왜 작을 수밖에 없는가

왼쪽 아래는 ' $T$ 는 큰데 $L$ 은 작다'입니다. 표면 $1 m^{2}$ 가 엄청나게 밝게 빛나는데도 전체 광도가 작으려면, 그 표면 자체가 극히 좁아야 합니다. 백색왜성이 지구만 한 크기인 이유를 H-R도가 미리 알려 주는 셈입니다.
예시 3

주계열의 대각선이 알려 주는 것

주계열 위에서 왼쪽 위로 갈수록 뜨겁고 밝은데, 질량도 큽니다. 주계열성은 질량 하나로 온도·광도·수명이 거의 다 정해집니다. 그래서 주계열은 '질량의 눈금자'이기도 합니다.

H-R도의 네 무리

구분	주계열성	거성 · 초거성	백색왜성
H-R도 위치	왼쪽 위 ~ 오른쪽 아래 대각선 띠	오른쪽 위	왼쪽 아래
표면 온도	높은 것부터 낮은 것까지 다양	낮다 (붉다)	높다 (희다)
광도	다양	크다	작다
반지름	중간	매우 크다	매우 작다
평균 밀도	중간	매우 작다	매우 크다
에너지원	중심의 수소 핵융합	중심 바깥 껍질의 핵융합 등	핵융합 없음 (남은 열)

자주 하는 오해

주계열성이 많은 이유를 '그런 별이 많이 태어나서'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움별의 90%가 주계열성인 것은 주계열성이라는 종류의 별이 특별히 많이 만들어지기 때문이다

실제로는주계열은 별의 '종류'가 아니라 '시기'입니다. 별이 일생의 약 90%를 주계열 단계로 보내기 때문에, 아무 때나 하늘을 찍으면 대부분의 별이 그 단계에 있는 것입니다.

학교 운동장을 한 장 찍었더니 90%가 수업 중이더라 — 이것은 '수업 중인 학생'이라는 종족이 따로 있어서가 아니라 하루의 대부분이 수업 시간이기 때문입니다. 별도 같습니다. 거성 단계는 주계열에 비해 훨씬 짧아서, 그 단계에 걸린 별을 만날 확률 자체가 작습니다. H-R도의 인구 분포는 별의 개체 수가 아니라 각 단계의 지속 시간을 반영합니다.

H-R도 위의 이동을 별이 우주 공간을 이동하는 것으로 읽기

이렇게 생각하기 쉬움별이 진화하면서 H-R도의 오른쪽 위로 '옮겨 간다'는 말은 별이 그 방향으로 날아간다는 뜻이다

실제로는H-R도의 축은 위치가 아니라 온도와 광도입니다. 점이 움직인다는 것은 그 별의 표면 온도와 광도가 변한다는 뜻일 뿐, 별이 공간에서 이동하는 것과는 아무 상관이 없습니다.

H-R도는 지도가 아니라 성적표에 가깝습니다. 가로 방향의 이동은 '식었다', 세로 방향의 이동은 '밝아졌다'를 뜻합니다. 또 하나 구별해야 할 것이 있습니다 — 우리가 그리는 H-R도의 점들은 서로 다른 수많은 별의 스냅숏이지, 한 별을 오래 지켜본 궤적이 아닙니다. 별 하나의 진화 경로는 그 스냅숏들을 이론으로 이어 붙여 복원한 것입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

별의 광도와 등급고2 별의 물리량고2 별의 스펙트럼과 분류고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

별의 진화고2

같은 단원의 개념 — 태양계 천체와 별과 우주의 진화

자주 묻는 질문

Q1가로축에 왜 온도가 거꾸로 그려져 있나요?

별을 스펙트럼으로 분류하던 O·B·A·F·G·K·M 순서를 그대로 왼쪽부터 늘어놓았는데, 나중에 그 순서가 곧 온도가 높은 것부터라는 사실이 밝혀졌기 때문입니다. 결과적으로 왼쪽이 고온이 되었고, 그 관습이 지금까지 이어집니다. 문제를 풀 때는 축의 방향을 먼저 확인하세요.

Q2H-R도의 세로축이 절대 등급일 때와 광도일 때가 다른가요?

본질은 같습니다. 다만 절대 등급은 작을수록 밝으므로, 위쪽이 밝게 되려면 절대 등급 축은 위로 갈수록 값이 작아지도록 그려야 합니다. 축의 숫자가 위로 갈수록 줄어드는 그래프를 만나면 당황하지 말고 '위 = 밝다'만 기억하세요.

Q3H-R도로 별의 나이도 알 수 있나요?

성단처럼 한꺼번에 태어난 별들의 집단이라면 가능합니다. 무거운 별부터 먼저 주계열을 떠나기 때문에, 주계열의 위쪽이 어디까지 비어 있는지를 보면 그 성단이 얼마나 오래되었는지 알 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 지구과학 · 태양계 천체와 별과 우주의 진화 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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