[일천물] 5. 별빛

내용이 너무 깊이들어간 느낌이 들어서 좀더 흥미로울만한(과연?-_-) 화제를 가져왔습니다..

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

이번 글에서는 별빛의 다양한 색에 대한 얘기를 해보려 한다. 

아 그전에 우리가 색을 느낀다는건 무엇인가?

#image1. 원소들마다 고유의 불꽃색을 낸다.

빨간사과를 빨갛다고 느끼는 이유는?

여러 파장의 빛중에 가시광선영역 빨간파장의 빛만 반사하기 때문이다.

양자역학파트의 현미경얘기에서도 언급했듯이, 우리가 색을 느끼려면(혹은 물체를 보려면)빛이 우리눈을 통해 시신경을 자극시켜야만 비로소 눈으로 존재를 느낄수 있다.

애초에 빛이 없으면 사과고 뭐고 아무것도 안보이는것처럼, 사과 스스로는 빛을 내지 못하고 다른 빛이 존재해야만 그중에 붉은빛을 반사시켜 우리가 붉다고 느끼는 것을 알 수 있다.

그러나 스스로 빛을 내는 경우도 있기 때문에 꼭 이런경우로만 색을 느끼는 것은 아니다.

그림1 의 불꽃색이 흔하게 볼수 있는 예인데, 각 원소들마다 고유의 색 스펙트럼을 가지기 때문에 원소구별법중의 하나로 사용된다.

불꽃색하니 오이갤에서 읽었던 한가지 유머글이 생각나는데..

때는 시험시간.

학생1 : 선생님, 5번문제 잘 이해가 안되는데요

선생님 : 5번?

학생2 : 어, 저도 그 문제 무슨말인지 잘 모르겠어요. 뭘 쓰라는건지

선생님 : 아아, 이거 불꽃색 쓰면 돼.

학생1 : 네?

선생님 : 불꽃색쓰라고.

학생들 : ???

선생님 : 아, 불꽃색 쓰라고 !!!!!

띄어쓰기 주의. 음, 아무튼 불꽃색은 좋은 것.. 이 아니라 좋은, 간편한 원소판별법이다.

이같은 경우에는 원소들을 태우면서(!) 발생하는 빛이기 때문에 다른 빛이 반사되고 하는것이 아니라 다이렉트로 발생한 빛이 우리 눈에 들어오는데,

이때의 빛 스펙트럼이 리튬의 경우에는 붉은색 파장빛이고, 구리의 경우는 녹색 파장빛 이런 식이라 저러한 색을 띄게 된다.

#iamge2. 발생하는 빛을 스펙트럼 형태로 나타낸 모양.

이러한 불꽃색이 주변의 형광등이나 백열전구나 태양빛등등과 가장 큰 차이를 띄는 것은 굉장히 좁은 파장의 빛이 발생한다는 것이다.

학창시절에 빛의 삼원색, 색의 삼원색에 대해 한번쯤 들어보았을 텐데

여기서 주목할만한 점은 빛의 경우는 다양한 파장의 빛이 합쳐질수록 백색광이 된다는 점이다.

그림2 에서처럼, 백열전구의 스펙트럼은 가시광선 파장의 대부분을 커버하고 있기 때문에(즉, 거의 모든 가시광선 파장의 빛을 낸다)태양빛과 비슷한 백색~(살짝 황백색?)을 띄게 된다.

그러나 원소들의 경우는 특정파장의 빛만 내뿜는다.

리튬은 마치 빨간 사과처럼, 나트륨은 노란 바나나 처럼.

나트륨의 스펙트럼을 보면 알겠지만, 빨강에 조금, 오렌지빛에 많이, 그리고 노랑,초록,파랑에 조금씩 내고 있고 이것이 합쳐져서 우리눈에 그림1 처럼 노란빛으로 보이게 된다.

이렇게 전구나 태양광처럼 연속적인 스펙트럼을 내는 것을 연속스펙트럼 이라고 하며,

모든 원소들은 위 그림처럼 일부 파장(이것을 해당원소의 고유파장 이라고 한다)에서만 드문드문 내는 것을 선스펙트럼 이라고 한다.

여기서 잠깐.

태양광 스펙트럼에서 한가지 다른 점을 발견하였는가?

마치 이가 빠진것 처럼, 군데군데 검은색의 선들이 나타난다. 

이는 그 파장의 빛은 나오지 않는 다는 것이다.

이러한 선들은 흡수선 이라고 하며, 태양대기에 존재하는 원소들이 자신의 고유파장에 해당하는 빛을 흡수하기 때문에 저렇게 이가 빠진 모양이 나타난다.

그렇다면?

어떠한 별의 스펙트럼을 분석하여 저러한 흡수선들을 구별해 낸다면,

원소들마다 고유파장의 빛만 흡수하기 때문에, 마치 원소들의 지문이 남아있는 것 처럼

우리는 그 별의 대기성분을 가만히 앉아서 알아낼수 있다!

(그림2 에서도 태양광의 흡수선들 중에 수소 스펙트럼과 일치하는 선들을 찾을 수 있는가? 태양대기의 거의 대부분은 수소로 이루어져있다)

태양빛은 공식적으로(?) 약간 노~란 빛을 띄는 황백색이라 일컫는데, 그렇다면 다른 별들의 색은 어떠한가?

#image3. 플레이아데스 성단. 

맨눈으로도 쉽게 볼수 있고 아름다워 유명한 성단이다.

굉장히 푸른 빛의 별 사진을 가져왔다. 

아마 조금이라도 별에 관심이 있다면 한번쯤은 보았을 유명한 성단인 플레이아데스 성단이다.

이 성단의 별들은 태양과는 달리 왜 푸른빛을 띄는 것일까?

잠시 제철소를 떠올려보자. 

#image4. 충남 당진 제철소.

철이 녹는 온도는 불순물에 따라 다르지만 대략 2천~3천도 내외 정도이다.

철을 점점 가열하면 처음에는 빛을 내지 않다가 1500도 즈음 넘어가기 시작하면 붉게 달아오른다.

이 빛은 온도가 점점 올라갈수록 점점더 밝은 색이 되며, 철이 녹을때 즈음에는 그림4 처럼 오렌지색 계통의 붉은색까지 된다.

즉, 온도와 색의 관련성을 찾아볼수 있다.

빛을 내지않는 수백도로 가열된 철 가까이 가면 뜨끈뜨끈함을 느낄수 있는데, 이는 철에서 적외선이 나오기 때문이다.

그러므로 빛을 내지 않는다는 것은, 정확히 말하면 우리 눈에 보이는 가시광선 영역의 빛을 내지 않는- 이라고 해야한다.

적외선 카메라로 사람들과 물건을 구별할 수 있는 것 처럼 생명체들은 가시광선보다 더 긴파장의 적외선영역의 빛을 낸다.

#image5. 빛의 전체 스펙트럼.

우리가 눈으로 인지할 수 있는 가시광선 영역은 굉장히 일부분이다. 그보다 파장이 짧은 빛들은 자외선, X선, 감마선 순으로

그보다 파장이 긴 빛들은 적외선, 극초단파, 전파 등으로 이어진다.

빈의 변위법칙 -> 모든 물체는 온도에 해당하는 고유의 빛을 내며, 온도와 파장은 반비례 한다.

슈테판-볼츠만의 법칙 -> 이때 발생하는 고유의 빛의 세기는 온도의 네제곱에 비례한다.

이 법칙 두가지로 별의 다양한 색에 대한 설명이 된다.

즉, 플레이아데스 성단의 푸른빛의 별들은 우리 태양보다 표면온도가 훨씬 높은 별들이라는 것이다.

태양은 표면온도가 6000K정도로 오렌지색이며, 보통의 푸른별들은 20000K 정도의 온도를 가진다.

그리고 온도가 약 3배정도이므로 발생하는 빛의 세기는 27배 이상의 강한 빛이라는 것.

이때문에 푸른별 근처에 태양-지구의 거리만큼 떨어진 행성이 있다면 우리 지구와는 달리 그 행성은 진작에 타버렸을 것이다.

그렇다면 붉은별들은 ?!

정답! 온도가 더 낮은, 제철소의 철과 비슷한 온도인 2000~4000K 정도의 온도이다.

(#잠깐상식.

천문학에서는 온도의 단위로 절대온도 K 를 사용한다. 우리가 사용하는 섭씨온도는 물의 어는점 0도와 끓는점 100도를 기준으로 삼은 온도 체계인 반면, 절대온도는 모든 원자진동이 정지하는 이론상의 온도 0K를 기준으로 삼는다.

섭씨 0도가 절대온도 273K 이므로, 간단하게 섭씨온도에 +273을 해주면 절대온도로 바꿀 수 있다.)

그렇다면 온도에 따라서 녹색별, 보라색별 등도 가능할까 ???

#image6. 별의 온도에 따른 색. 혈액형 분류처럼 분류법이 존재한다.

가장 온도가 높은 푸른색의(20000K) O타입부터 B, A(하얀색. 10000K), F, G, K, M(2000K) 으로 갈수록 온도가 낮아진다.

태양은 G타입에 속한다.

필자가 고등학생일때, 이러한 의문이 들어 당시 구독하던 '과학소년' 잡지에 질문을 보내면 답해주는 코너에 보내서 선정이 된 적이 있었다.

(하지만 질문이 온전히 해결된 것은 대학에서 관련 지식을 배운 훨씬 이후 였지만..)

아쉽지만 스펙트럼은 우리의 기대처럼 호락호락하지 않다(?).

우선, 온도가 높아지면 파장이 짧은 빛을 많이 내는 것은 맞지만 그렇다고 불꽃색처럼 선스펙트럼이 아니라 연속스펙트럼이기 때문에 다른 파장의 빛들도 같이 나온다.

#image7. 온도에 따른 발생하는 빛의 세기. 세로축에서 위로 갈수록 빛의 세기가 커진다고 생각하면 된다.

가로축은 파장이며 가시광선영역은 무지개로 표시되어있다.

위의 그림7 에서 보면, 온도가 높아질수록 피크가 점점 왼쪽으로(파장이 짧은 쪽으로) 이동하고는 있지만,

그렇다고 다른 빛들은 안나오는 것이 아니다. 

피크를 이루는 온도라고 할 지라도 보라색이나 녹색같은 경우 가시광선에서 좁은 영역에 속하기 때문에 전체 색에 영향을 미치기 어렵다.

(그림7 의 무지개 모양은 실제척도와는 다르다)

여기에는 또 관찰자의 색에 대한 민감도도 관여한다.

#image8. 스펙트럼그림만 몇번째 올리는 건지 !!

인간의 눈의 민감도와 가시광선 파장을 나타낸 그림.

녹색에서 가장 민감한 반응을 보이며 그다음으로 노란색 오렌지색 등이 민감하다.

우리 눈의 경우에는 녹색에 대한 민감도가 가장 높다.(이때문에 자연에서 흔히 찾을수 있는 빛이 녹색이라고 한다면 너무 인간중심적인 생각일까?)

그 다음으로 노란색 계열이며(터널 불빛이 노란색인 이유! 민감도가 높은 만큼 눈에 잘띄어 경고의 의미도 있다)푸른계통은 민감도가 낮다.

이 말인즉슨, 녹색의 빛이 1만큼 들어오고, 푸른색의 빛이 10만큼 들어오면 우리는 그 빛을 녹색으로 느낀다는 것이다.(혹은 푸른빛이 감도는 녹색이라거나)

반대로, 천체관측을 하는 일반카메라, 망원경의 CCD 등은 푸른빛에 대한 민감도가 높다.

따라서 온도가 20000K 이상 올라가서 보라색 가시광선영역이 피크를 이루는, 즉 보라색 파장의 빛을 가장 많이 내는 별이 있다고 할 지라도,

보라색 파장의 빛이 100개, 푸른색 파장의 빛이 1개가 들어와도 우리는 눈으로 봐서는 그 별을 푸른색으로 인식한다.

망원경의 관측이라면 모르겠지만(그러나 망원경도 보랏빛이 살짝 감도는 푸른색별~ 정도까지이다.) 우리 눈으로는 빨갛고 노랗고 하얗고 푸르고 이외의 별들의 색은 인지할수가 없는 것이다.

(하얀 별은 물론 빨강, 파랑, 초록 빛들이 적절히 민감도에 맞게 비슷하게 들어오면 하얗게 보인다)

#image9, 10 보라색 ???

그러므로 아쉽게도 위의 이미지들 처럼 확연한 보라색의 이미지는 워낙에 좁은 보라색 영역이기 때문에 불가능하다.

그림9 의 경우는 NGC6240을 X선 망원경으로 관측한 뜨거운 가스를 보라색으로 칼라를 입힌 것이고,

그림10 의 경우는 켄타우로스 A 자리에서 발생하는 강력한 감마선 버스트를 보라색으로 입힌 것이다.

별의 표면온도가 높으려면 별 자체의 크기가 커져야 하는데 이는 안정적인 상태를 유지하려면 한계선이 존재하므로

별의 표면온도 자체도 한계온도가 존재한다.

가장 온도가 높은 O타입인 2만K 언저리가 상한선일 것이라 생각되며(이론적인 별생성 모델에 따른 예측) 실제로도 그보다 온도가 훨씬 높은 별은 현재까지 관측된 적이 없다.

-----------------------------------------------------------------------------------------

별 색깔 얘기하다가 보라색으로 끝난 듯한 이 기분은......... 기분탓이다.

보라색 맛났어 !!! (-_-;)