적색왜성
1. 개요
赤色矮星 / Red Dwarf
태양의 7.5%에서 50% 정도의 질량을 지닌 작은 주계열성을 말한다. 적색왜성은 항성으로 인정되는 가장 최소 단위로, 이보다 작으면 갈색왜성으로 분류돼 항성으로 간주되지 않는다.
헤르츠스프룽-러셀 도표에 따르면 적색왜성의 스펙트럼형은 어두운 K형으로부터 M형까지며, 표면온도는 보통 3800 K를 넘지않고, 광도는 가장 밝은 것조차 태양의 10% 정도에 불과하다. 그 낮은 온도 때문에 표면은 붉은색이며, 우주 전체 별의 약 70%[3] 정도가 이러한 적색왜성인 것으로 알려져 있다.
2. 특징
적색왜성은 크기가 매우 작은 주계열성으로, 맨눈으로는 관측이 불가능한 항성들이다. 지구에서 가장 가까운 적색왜성인 프록시마조차도 실시등급이 맨눈으로 볼 수 없는 수준을 한참 넘어서는 11등급에 불과하다. 관측 기구[4]를 동원하면 수백 광년이 떨어진 적색왜성도 볼 수는 있지만, 이 또한 산출되는 데이터가 매우 형편없기 때문에 일반적으로 태양계 바로 근처에 있는 적색왜성들이 많이 연구되는 편이다.
이들은 질량이 매우 작아 별 중심에서 일어나는 핵융합 반응이 느리게 진행되며[5] 때문에 분광형은 M 정도에 불과하고 표면 온도도 많이 낮다. 이보다도 더 질량이 작으면 갈색왜성으로 분류되는데, 여기서부터는 아예 수소 핵융합이 진행되지 않아[6] 더이상 항성으로 분류되지 않으며 그 분광형은 L 수준까지 내려간다. 실제로 2MASS J0523-1403와 같이 갈색왜성과 종이 한 장 차이로 간신히 적색왜성이 된 별들은 밝은 L형 분광형을 가진 경우가 있으며, 적색왜성이 가질 수 있는 분광형의 하한선은 L6V일 것으로 예측되었다.
핵융합의 속도가 느리기 때문에 다른 주계열성 이상의 별들보다 상대적으로 약한 빛을 발산한다. 일부는 태양의 1/10000 밖에 되지 않는 경우도 있으며, 가장 밝은 적색왜성조차 태양의 10% 수준에 불과하다.
이렇게 적색왜성이 어둡기 때문에 발견되지 않은 태양의 쌍성이 있다는 네메시스 가설이 존재한다. 다만 WISE 적외선 망원경으로 관측한 결과 태양계 외곽에 목성 이상의 질량을 가진 천체는 없는 것으로 확인되었다.
3. 적색왜성의 대류 작용
일반적인 항성모델에 따르면 태양 질량의 0.35배보다 작은 적색왜성의 내부는 온도가 낮음에도 동시에 밀도가 매우 높아 빛이 통과하기 힘든 상태이기 때문에 핵융합으로 발생한 빛이 표면까지 광자복사하기 어렵다. 이 때문에 이들은 다른 항성들과는 다르게 복사가 아닌 대류 작용으로 표면까지 에너지를 전달하는데, 이유는 적색왜성의 이러한 물리적 상태에서는 복사보다 대류 작용이 더 효율적인 방식이기 때문이다.
이러한 적색왜성의 대류 작용 과정은 다음과 같다. 적색왜성 중심부의 수소가 핵융합으로 연소되어 사라져가면 적색왜성의 핵융합 반응은 연료가 없음으로 점차 줄어들게 된다. 그렇게 적색왜성의 핵융합 에너지가 줄어들면 별 전체가 중력에 의해 더 많은 압박을 받기 때문에 중심부가 수축하기 시작한다.[7] 이때 중력으로 인한 수축에서 발생한 열에너지가 별 전체에 대류 작용을 일으키는 것이다. 이후 수축이 어느정도 다시 이루어져 적색왜성의 핵융합 반응이 점차 돌아오게 되고 시간이 흘러 또 수소가 떨어지면 다시 수축이 일어나는 과정이 반복된다. 만약 적색왜성의 질량이 태양의 0.35배보다 크다면 이러한 대류작용이 일어나지 않을 수 있다.
한편으로는 이 과정에서 항성 내부 전체에 거대한 대류가 발생해 핵융합으로 생긴 헬륨이 중심핵에 축적되지 않고 섞이기 때문에 적색왜성은 상대적으로 수소를 천천히 사용하여 그 수명이 다른 주계열성들보다 매우 긴 편이다.[8] 질량이 큰 적색왜성은 '''800억'''년, 질량이 작은 경우에는 '''17조 5000억'''년까지 주계열성 상태로 버틸 수가 있다.[9] 거의 영원과 같은 삶을 사는 별들인 것이다.
4. 의문의 종족III 적색왜성
특이하게도 빅뱅 이후 최초로 탄생한 항성, 즉 종족III에 해당하는 적색왜성들은 발견되지 않고 있는데, 현존하는 모든 적색 왜성들은 가장 먼저 탄생했던 1세대 별들이 죽고 난 뒤의 잔해를 물려받은 2세대 별들이다.[10] 적색 왜성의 수명을 생각하면 있을 법도 한 1세대 항성들이 우리 은하에서 보이지 않는 이유에 대한 가장 유력한 설명은 다음과 같다.
빅뱅 직후 처음으로 태어난 별들은 질량이 큰 종족III 항성 밖에 없었다. 이들은 모두 크기가 매우 거대한 대신 수명은 매우 짧았고, 이러한 종족III 항성들의 죽은 잔해에서 태어난 별들이 지금의 적색왜성이라는 주장이다.
다른 설명으로 종족III에 해당하는 적색왜성은 존재하나, 그저 그 수가 적고 어둡기 때문에 아직 인류가 발견하지 못했다는 가설도 있다. 그러나 이 주장은 항성진화 이론과 충돌하기 때문에 인정되지 않고 있다.
5. 최후
적색왜성은 질량에 따라 최후가 다르다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 적색왜성이 수명을 다한 뒤 적색거성으로 진화할 수 있는 최소한계질량은 태양 질량의 0.25배 정도이다.
태양 질량의 0.25배보다 질량이 작은 적색왜성들은 표면온도와 광도가 점차 증가한 청색왜성으로 진화한다. 예컨데, 태양 질량의 0.16배의 적색왜성[11]은 주계열 상태에서 2.5조년 동안 머물며, 이후 50억년 동안 청색왜성 상태로 지내게 된다. 이때 청색왜성은 태양 광도의 1/3 만큼을 지니며 표면온도는 6500-8500 K 정도이다.
반대로 태양 질량의 0.25배보다 질량이 큰 적색왜성들은 크게 부풀어올라 적색거성이 되지만, 그 크기는 태양 지름의 5배 ~ 10배 정도로, 2 AU까지 커지는 미래 태양의 적색거성에 비교하면 여전히 매우 작은 편이다. 태양 질량 16~23% 사이의 중간 크기 적색왜성들은 거성으로 살짝 부풀었다가 질량을 방출한 후 청색왜성으로 변하며, 태양 질량 16% 이하인 작은 적색왜성들은 아예 거성조차 되지도 못하고 바로 청색왜성으로 변한다. 또한 이들은 거성 단계를 거치지 않기 때문에 날려버릴 저밀도의 외피층이 없으므로 행성상성운조차도 생성하지 못한다.
결국 질량이 크지 않은 모든 적색왜성들은 필연적으로 청색왜성이 되며, 이 청색왜성 단계에서 남아있던 수소를 전부 소진하게 되면 더 거대한 별들과는 달리 헬륨을 탄소와 같은 무거운 중원소로 융합하지 못하고 그저 헬륨으로 이루어진 백색왜성으로 진화하게 된다. 이러한 백색왜성은 태양이 남기는 지구 크기의 백색왜성보다 오히려 더 클 것으로 예상되는데, 이는 적색왜성의 낮은 질량 때문에 중력이 약해 압축이 덜 진행되기 때문이다. 최소 질량 한계선 근처에 있는 적색왜성의 백색왜성은 목성 지름의 3분의 1 또는 해왕성 정도의 크기일 것으로 추정된다.
가장 무거운 종류의 적색왜성도 수명이 우주의 나이보다 길기 때문에 현재까지 적색 왜성의 진화한 형태나, 죽어가는 형태를 발견한 사례는 없다.[12] 다양한 질량의 별들이 한데 모여 형성되는 항성 집단에서 질량이 큰 별들은 먼저 진화하여 사라지거나 어두운 밀집성이 되어버리기 때문에 은하의 나이가 많을수록 적색 왜성의 비율은 증가한다. 우리 은하에서도 나이가 100억 년은 가볍게 넘기는 적색 왜성들이 지천으로 널려 있다.
6. 생명 발생 가능성
적색왜성을 모항성으로 두는 외계 행성에 생명이 발생할 수 있는가는 학계에서도 이견이 있는 편이다.
적색왜성은 수명이 매우 길기 때문에 생명이 번성할 수 있는 시간이 상당하다는 이점이 있지만, 다른 중간 크기의 주계열성들에 비해 난제가 매우 많기 때문에 자연적인 생명 발생은 어렵다고 보는 시각이 지배적인 편이다.
6.1. 생명체 서식을 불리하게 만드는 조건들
6.1.1. 조석 고정
조석 고정이란 모항성이나 모행성을 공전하는 천체의 공전과 자전이 중력작용으로 일치하여 이 천체가 모항성이나 모행성쪽으로 한쪽 면만을 향하는 현상이다. 이는 지구-달의 관계와 같다.[13] 모항성과 행성 간에 조석 고정이 발생할 경우 한쪽은 영원히 밤이고 나머지 한쪽은 영원히 낮이 되게 된다.
적색왜성의 경우, 가시광선의 양이 적어 골디락스 존이 태양보다 훨씬 가깝기 때문에 골디락스 존에 위치하게 되면 필연적으로 조석고정이 발생하게 된다. 다시 말해 지구와 비슷한 온도 조건, 생물권 설정을 위해서는 태양계로 따지면 태양과 수성간의 거리나 그보다 가까운 거리가 필요하기 때문에 조석력에 의해 한쪽이 영원히 낮이 되고 반대편은 영원한 밤의 세계가 되는 것이다. 문제는 이렇게 될 경우 생명체의 정상적인 생존은 어려워진다. 극심한 온도차로 인한 행성 규모의 폭풍이 하루종일 몰아치거나, 한쪽은 불지옥 반대쪽은 얼음지옥으로 완전히 나눠져 있는 환경에서 생명체가 발생하고 지속하는 것을 기대하기는 어렵기 때문이다.
만일 해당 천체가 목성형 행성의 위성이라면 모항성 대신 모행성에 조석고정되며, 공전을 통해 주기적인 밤/낮이 생기게 되므로 이러한 문제를 피할 수 있을 것으로 예상된다. 다만 적색왜성 주변에서는 목성형 행성이 발생할 확률이 낮다는 점이 걸림돌이다. 뭉쳐서 행성이 될 수 있는 먼지 구름의 양이 태양과 같은 항성에 비해 적기 때문이다.
6.1.2. 가시광선의 부족
또 지구상의 식물은 태양의 가시광선 내에서 광합성을 하기 적합한 조건인데, 적색왜성들은 이름 그대로 적외선 영역의 빛이 많기 때문에 지구와 같은 식물이 자라기도 부적합하다. 지구상의 식물들은 이러한 조건에서는 생존이 불가능하다. 만일 이러한 환경 하에서 진화한 식물이 있다면 최대한 많은 빛을 흡수하기 위해 초록색 대신 검은색의 색소를 가질 것으로 예상되며, 동물들은 가시광선보다는 적외선을 볼 수 있도록 진화할 것으로 예상된다.
6.1.3. 폭발적인 플레어와 불규칙한 밝기
거기에 적색왜성들은 폭발적인 자기장을 생성하며 흑점도 많다. 여기에서 흑점이 많다는 것에서 알 수 있듯 항성 플레어가 태양보다 강한데 특히 작은 질량의 적색왜성에서 두드러지게 나타난다.[14] 플레어는 항성의 밝기를 40~60%까지 증가시키므로 이로 인한 온도 차이가 엄청나며 생물이 산다 하더라도 다 죽게 될 것이다. 당장 지구와 금성에서 보는 태양의 밝기 차이는 1.9배 차이이므로 적색왜성의 플레어의 위력이 얼마나 큰지 짐작을 할 수 있다.
또한 플레어의 일부는 온도가 2천만K까지 올라가는데(밀도는 매우 낮아서 문제는 없지만) 적색왜성은 흑점 폭발로 인해 자신의 원래 밝기보다 40~60%나 더 밝아지는 것으로므로 이 정도로도 엄청난 양의 해로운 X선을 방출하여 순식간에 생명체를 전멸시킬 수도 있다. 지구의 원자력 발전소가 파괴되어 방출된 방사능은 아무것도 아니라는 뜻이며, 1분만에 2000Sv이상 노출된다는 뜻이다. 이 정도의 방사능이면 자기그릇의 색도 변색시킨다.
질량이 큰 적색왜성일수록 플레어의 위력이 약해진다. 질량이 작아질수록 플레어의 위력이 세진다. 자신의 원래 밝기보다 가장 플레어가 쎈 질량대의 적색왜성은 태양의 7.5%~16% 사이이다. 이는 밀도와 자전속도에 비례한다. 항성 표면의 밀도가 높아질수록 자기력선이 많이 꼬여 더 큰 플레어가 형성된다.
그러나 모든 적색왜성이 섬광성인 것은 아니며, 로스 128과 같이 안정적인 경우도 있다. 또한 이미 섬광성인 별들도 시간이 지나면 자전 속도를 잃고 플레어가 점차 약화되어 안정화될 것으로 예상된다.
이러한 플레어가 주변 행성의 생명체에게 백해무익할 것 같지만 플레어로 인한 방사선이 행성 대기에서 유기 분자를 합성하는 에너지원으로 작용할 수 있다는 연구 결과도 있다.
즉 결론적으로 안정적인 적색왜성의 플레어는 생명체의 발생 가능성에 긍정적인 영향을 끼치기도 하는 반면, 불안정한 적색왜성의 플레어는 오히려 생명체 발생 가능성에 부정적인 영향을 준다.
6.2. 생명체 서식이 가능한 경우의 수
일단 수가 엄청나게 많은데다 생명체 서식이 중성자별이나 블랙홀처럼 도저히 불가능한 수준은 아니여서 많은 연구들이 진행되고 있다. 이들이 차지하는 비율이 우주의 90% 이상이라서 M형 주계열성인 적색왜성을 제외한 나머지 종류의 주계열성이나 갈색왜성[15] 정도만 생명체 서식이 가능한데 이는 거의 우주에는 우리밖에 없다는 것과 비슷하기 때문이다. 태양 정도의 질량을 가진 주계열성은 우주에서 1%밖에 되지 않는다.
최근 연구들에 따르면 적외선이나 조석고정은 행성에서의 자제적인 대류순환을 통해 어느 정도 상쇄할 수 있지 않냐는 의견도 있으며, 행성의 자체 자기장을 통해서도 가능한 부분이 있다. 다만 적색왜성 내의 행성이 지구 정도의 자기장 위력을 낼 수 있는지는 아직 명확하지 않다.
또한 최대 수명은 수조년에 육박할 것으로 보이는데,[16] 이런 긴 수명은 고등생명체가 나오는데 오랜 시간이 걸린 점을 생각해본다면 확실히 유리한 점이다. 우주 탄생으로부터 약 138억 년이 지난 현재는커녕 50억 년 더 지나서 태양이 적색거성이 되어 지구가 멸망할때도 수명이 다하는 적색왜성은 하나도 없다.
6.3. 결론
적색왜성 특징을 보면 사실 생명체가 서식하기에는 쉽지 않다. 태양이 아무리 고등생명체가 살기 좋은 환경을 조성해줬다고 하나, 지구와 같은 골디락스 존에 있는 금성과 화성[17]은 아무것도 남지 않은 것처럼, 항성조건까지 불리한 적색왜성에서의 생명체 서식을 논하는 건 불가능할지도 모른다.[18]
다만 적생왜성은 우주에서 가장 흔한 항성이다. 만약 적색왜성에서 생명체 발생의 가능성을 찾을 수 있다면 외계 생명체의 존재 확률은 급격히 오를 수 있기에 이에 긍정적인 과학자들은 적색왜성계에서의 생명 발생 가능성에 대한 가설을 제시하고자 노력하고 있다.
7. 나무위키에 문서가 있는 적색왜성
[1] 실제 근거리 모습은 이르면 2060년대가 되면 볼 수 있을 것으로 예상된다. 알파 센타우리 항성계에 초소형 성간 탐사선을 보내는 스타샷 프로젝트가 계획중이기 때문.[2] 쿠르츠게작트의 영상.[3] 90%라는 말도 있다.[4] 적색왜성은 대부분의 에너지를 적외선 영역에서 방출하기 때문에 주로 적외선 망원경을 사용하여 관측한다.[5] 태양 질량의 8%인 적색왜성의 중심 온도는 450만 켈빈이며 압력도 태양의 1/13 밖에 되지 않기 때문에 연료를 매우 천천히 태운다.[6] 여전히 중수소나 리튬 핵융합이 매우 느리게 이루어지긴 하지만, 경수소 핵융합을 할 수 없으면 항성이 아니라 그냥 뜨거운 가스 덩어리에 불과할 뿐이다.[7] 별은 매우 무거운 질량을 가진 천체이기 때문에 언제나 중력에 의해 천문학적인 힘으로 쥐어짜여지고 있다. 핵융합은 별에게 이러한 중력의 압박으로부터 저항할 수 있는 에너지를 준다.[8] 특히 늙은 적색왜성들은 이러한 대류 작용에 전적으로 의존할 것으로 예측된다.[9] 우주의 나이가 이제 138억 살이 조금 넘었다. 못해도 우주 나이의 50배는 더 산다는 뜻.[10] 빅뱅 우주론에 따르면 최초로 태어난 별들은 수소, 헬륨, 리튬으로만 구성되었다. 문제는 이러한 적색왜성들이 발견되고 있지 않다는 것이다.[11] 바너드의 질량과 비슷하다.[12] 현 우주 나이에서는 태양 질량 0.8배 미만인 별들은 수명을 다 한 사례가 없다.[13] 달은 항상 앞면이 지구를 향하고 있고 뒷면은 지구를 향하는 일이 없기 때문에 인류는 우주 탐사선을 쏘아올리기 전까지는 달의 뒷면을 볼 길이 없었다.[14] 실제로 플레어가 강한 섬광성들은 적색왜성들이 많다고 한다.[15] 갈색왜성은 가시광선이 거의 없어서 적색왜성보다 더 불리하긴 하다. 애초 핵융합 자체를 못하는게 갈색왜성이며 때문에 왜성은 커녕 행성급으로 취급받기도 한다.[16] 정말 수명이 짧은 적색왜성도 태양보다는 수명이 길다. 애초 질량이 무겁고 밝은 별일수록 수명이 짧고(최저 수백만년) 그 반대의 경우는 수명이 기니까 항성의 최저라인인 적색왜성이 수명이 긴 것은 그리 이상한 일은 아니다.[17] 금성은 골디락스 존의 시작점에, 화성은 끝부분에, 지구는 한가운데 있다.[18] 사실 골디락스 존 내에 위치했다고 모두 지구처럼 좋은 환경이 되지는 않는다. 지구는 운이 아주 좋은 경우에 속하며 금성은 아마도 거대한 충돌 때문에 자전축이 망가져서 아주 느린(1년보다 하루가 더 길다.) 역방향자전이 생성되어 자기장이 다 날아가 버리고 대기균형이 깨졌지만 같은 거대한 충돌을 한 지구는 그 충돌체가 달이 되어 지구의 자전축과 자기장을 유지시켜 주는 복덩어리가 되었고 화성은 아예 동강이 나서 결국 지금처럼 되었다는 주장을 하는 이들도 있다.