안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
Q. 흑색왜성과 중성자별의 공통점과 차이점은 무엇인가요?
흑색왜성과 중성자별은 둘다 항성의 종말 결과이며 수명을 다한 뒤에 남는 천체로 핵융합이 없으며 스스로 에너지를 생성하지 않고 작고 조밀한 천체이자 우주에 광범위하게 존재하다는 것입니다. 흑색왜성은 태양 같은 가벼운 별이고 백색왜성이 수천억년 후 흑색왜성이 되며 우주 나이보다 더긴 시간이 필요하기에 이론상 존재하지만 아직 존재하지 않게 됩니다. 질량의 범위는 0.5~1.4 태양질량이며 매우 조밀하지만 전자가 지탱하고 탄소와 산소가 식은 백색왜성으로 변하게 됩니다. 에너지의 방출은 전혀 없고 완전히 식었으며 완전히 어둡고 광학/적외선에서도 탐지가 불가능합니다. 중성자별의 경우 질량이 큰 별이 초신성 폭발 후 중심이 붕괴되고 초신성 이후 수 초만에 형성되어 실제 보이게 됩니다. 약 1.4~3태양질량이며 엄청난 밀도를 가지고 전적으로 중성자로 구성되어 있죠. 일부는 빠르게 회전하며 전파, X선 등을 ㅏㅂㅇ출합니다.
Q. 갈색왜성을 식별하기 위해 사용하는 스펙트럼 분석 기법은 무엇인가요?
질량이 작고 온도가 낮아 핵융합이 거의 없는 갈색왜성은 식별이 어렵습니다. 적외선 영역으로 확인하여야 하는데, 적외선 스페트럼 분석은 갈색왜성이 표면 온도가 낮기에 대부분 적외선 영역에서 복사 스펙트럼을 방출하기에 적외선 분광기를 사용하여야 하죠. 갈색왜성의 스펙트럼에선 고온의 별들에서는 나타나지 않는 특정한 분자 흡수선이 보이는데(메탄, 물, 이산화탄소, 암모니아 분자) 이 분자들은 가시광선보다 적외선에서 흡수선이 뚜렷하게 나타나지요
Q. 흑색왜성은 백색왜성이 어떤 과정을 거쳐 만들어지나요?
흑색왜성이 백색왜성이 되는것이 아닌 백색왜성이 흑색왜성으로 식어가는것이며 흑색왜성은 백색왜성의 진화 후 단계입니다. 흑색왜성은 백색왜성이 완전히 식은 상태로 다시 뜨겁고 밝은 백색왜성으로 되돌아갈 수 없게 됩니다. 에너지를 만들어낼 연료도 없고, 외부 자극이 없으면 자체적으로 다시 빛을 낼 수 없게 되죠. 태양과 같은 별의 말년엔 중심의 수소가 다 타면서 적색거성으로 팽창하게 되고 외피는 날아가고 중심핵만 남으며 백색왜성 형성되죠. 크기는 지구만 하지만, 질량은 태양의 절반이상이고 내부에선 더 이상 핵융합 반응이 없고 자체 열로만 빛을 내고 점차 냉각되게 됩니다. 수천억년 후에 흑색왜성이 될것으로 보이며 시간이 매우 많이 흐르면서 백색왜성은 천천히 냉각되고 복사 에너지가 점점 줄어들고 적외선조차 방출하지 않게 되어 온도가 절대영도에 가까운 상태가 되며 빛을 완전히 잃은 흑색왜성이 되는것이죠!
Q. 태양의 최후를 보게 되면 흑색왜성가능성이 높은건가요?
태양의 최후에 대해 천문학자들은 현재의 주계열성이 약 5~60억년 후 적색거성으로 팽창하고 외피를 날리며 행성상 성운을 형성한 이후 중심핵만 남아 백색왜성이 됩니다. 아주 오랜 시간이 흐르면 식어서 흑색왜성으로 진화될것으로 예상하고 있죠. 태양은 백색왜성이 아닌 흑색왜성이 될 가능성이 높다라는것은 궁극적인 종착지를 이야기 하며 태양이 당장 백색왜성으로 수십~수천억년 존재하다가, 궁극적으론 흑색왜성이 될수밖에 없다는 의미로 해석하게 합니다. 이는 핵융합이 끝난 다음엔 냉각이 필연적이고 흑색왜성은 백색왜성의 미래형이기 때문이죠. 백색왜성이 완전히 식는데는 최소 수천억년에서 수조년이상이 걸리게 됩니다. 현재 우주 나이보다 훨씬 긴 시간이며, 즉 태양은 현재로서는 백색왜성으로 끝나지만 궁극적으론 흑색왜성으로 변할 가능성이 거의 확실하다는 것이죠.
Q. 우리 은하에서 갈색왜성은 얼마나 흔한가요?
갈색왜성은 우리 은하내에서 꽤 흔한 천체로 여겨지는데 이들은 어둡고 작아 발견하기 어렵기에 생소하게 느껴집니다. 현재 관측과 시뮬레이션에 따르면 우리 은하에 있는 항성 1개당 갈색왜성은 1~2개정도 존재한다고 추정하며 우리 은하에 별이 약 1천억개 이상있으므로 갈색왜성은 수천억개가 되겠지요. 이들은 핵융합이 거의 없기에 스스로 밝은 빛을 내지 않고 적외선에서만 탐지가능하고 광학 망원경으로는 보이지 않기에 최근에서야 많은 발견이 시작되었습니다. 흑색왜성은 이론적으로만 존재하는 천체로 백색왜성이 완전히 식으려면 수천억년 이상이 걸리기에 우주의 나인느 138억년 밖에 되지 않았기에 아직 흑색왜성은 하나도 존재하2지 않을 것으로 여겨 집니다. 이러한 천체들은 모두 관측이 어렵고 과학적으로 상대적으로 최근에야 밝혀졌기에 우리에겐 아직 생소하기도 하답니다!