안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 별의 스펙트럼에서 헬륨선은 어디에서나 나타나야 하는 것 아닌가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.별의 스펙트럼에서 헬륨선이 모든 별에서 나타나지 않는 이유는 온도에 따라 헬륨의 흡수선이 나타나는 조건이 다르기 때문입니다. 헬륨은 별을 구성하는 중요한 원소 중 하나이지만, 스펙트럼에서 헬륨선을 관찰하려면 특정한 조건이 필요합니다. 헬륨선은 별의 표면 온도에 크게 의존하여 나타납니다. 헬륨 원자가 스펙트럼에 나타나려면 헬륨의 원자나 이온 상태가 특정한 에너지를 가져야 합니다. 이를 위해서는 별의 온도가 적절히 높아야 합니다. 고온의 별에서는 헬륨이 이온화되기 때문에 스펙트럼에서 헬륨의 흡수선을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, O형과 B형처럼 온도가 25,000K 이상인 별들에서는 헬륨이 강하게 이온화되어, 헬륨 흡수선이 잘 나타납니다. 이 경우, 헬륨선은 분명하게 스펙트럼에서 확인할 수 있습니다. 반면, 저온의 별에서는 헬륨이 거의 이온화되지 않습니다. K형과 M형 별은 표면 온도가 5,000K 이하로 낮기 때문에 헬륨이 이온화되지 않고 안정된 상태로 남아 있어, 스펙트럼에 헬륨 흡수선이 잘 나타나지 않습니다. 헬륨 원자가 충분히 에너지를 받지 않기 때문에, 스펙트럼에 특유의 선이 형성되지 않는 것입니다. 헬륨이 별의 구성 요소이지만, 모든 별에서 스펙트럼에 나타나지 않는 이유는 헬륨의 이온화 에너지와 관계가 깊습니다. 헬륨의 이온화 에너지는 매우 높기 때문에, 헬륨이 스펙트럼에 흡수선을 만들려면 별의 온도가 그만큼 높아야 합니다. 그렇지 않으면 헬륨은 별의 대기에서 흡수선으로 관찰되지 않게 됩니다. K형과 M형 별은 온도가 낮아 헬륨이 충분히 에너지를 받지 못하고, 흡수선을 형성할 수 없게 됩니다. K형과 M형 같은 저온 별에서는 스펙트럼에서 헬륨 대신 수소, 칼슘, 마그네슘 등의 다른 원소들이 지배적인 흡수선을 형성합니다. 별의 온도가 낮기 때문에 주로 수소 흡수선과 금속 흡수선이 눈에 띄게 관찰되며, 이 때문에 헬륨 흡수선은 덜 두드러지게 보이거나 나타나지 않게 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 토성의 고리가 사라진다고하는데 애초에 어떻게 생긴건가요
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.토성의 고리는 대략 1억 년 전 형성된 것으로 추정되며, 그 기원은 토성의 위성 중 하나가 파괴되었거나, 다른 소천체(예: 혜성, 소행성)가 파괴되면서 생겨난 파편들일 가능성이 있습니다. 토성 주변을 공전하던 위성 또는 혜성이 토성의 중력에 의해 잡히거나, 서로 충돌하여 산산조각나면서 그 파편들이 토성의 중력에 의해 평평한 원반 형태로 정렬된 것으로 보고 있습니다. 이때, 파편들이 토성의 중력과 공전 속도에 의해 고리 모양을 형성하게 됩니다. 또 다른 이론은, 토성의 고리가 태양계 형성 초기의 잔해물에서 비롯된 것일 수 있다는 주장입니다. 즉, 태양계가 형성될 당시 남아 있던 가스와 먼지가 토성 주위에 모여 고리 형태를 형성하게 된 것입니다. 초기 태양계의 형성 과정에서 남은 물질이 토성의 중력에 의해 포획되면서 지금의 고리가 만들어졌다고도 설명합니다. 토성의 고리는 대부분 얼음과 미세한 먼지로 이루어져 있습니다. 이 물질들은 태양에서 오는 자외선과 토성의 자기장에 의해 상호작용하면서 점차 토성의 중력에 끌려 내부로 떨어지게 됩니다. 이러한 현상은 고리 비라고도 불리며, 시간이 지나면 고리가 점점 사라질 것으로 예상됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 빛의 속도는 우주에서 왜 일정한가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.빛의 속도는 우주에서 일정하게 유지되는데, 그 이유는 특수 상대성 이론에 의해 설명됩니다. 알베르트 아인슈타인이 제안한 이 이론에 따르면, 빛의 속도는 진공에서 항상 일정하고, 어떠한 관측자에게서도 동일한 속도로 측정됩니다. 이 독특한 특성은 우주의 기본적인 물리 법칙 중 하나로, 우주 어디에서나, 어떤 조건에서나 빛의 속도가 일정하게 유지됩니다. 특수 상대성 이론에서 중요한 두 가지 가정 중 하나는, 빛의 속도는 어떤 관찰자든, 움직이는 속도와 상관없이 항상 일정한 값인 약 299,792,458 m/s라는 것입니다. 이 원리는 빛이 전자기파로서 진공에서 전파되기 때문에 가능한데, 이는 빛이 매개 물질 없이 공간을 통과한다는 의미입니다. 진공에서 빛의 속도는 절대적입니다: 우주 진공 상태에서는 빛이 어떤 물리적 저항도 받지 않으므로, 빛의 속도가 언제나 일정하게 유지됩니다. 빛의 속도가 일정하다는 이론은 시간과 공간이 상대적으로 변할 수 있다는 것을 의미합니다. 다시 말해, 관찰자가 어떤 속도로 움직이든 빛의 속도는 변하지 않지만, 시간과 공간은 관찰자에 따라 달라질 수 있습니다. 빛의 속도는 대기 또는 매질이 있을 때는 진공에서보다 느려집니다. 대기, 물, 유리와 같은 매질 속에서는 빛이 매질의 입자들과 상호작용하기 때문에 그 속도가 감속됩니다. 우주에서는 자연의 법칙이 어디에서나 동일하게 적용됩니다. 이 원리는 특수 상대성 이론의 중요한 부분 중 하나로, 빛의 속도가 일정하다는 사실은 이 법칙이 어느 곳에서나 성립한다는 것을 보여줍니다. 빛은 입자인 동시에 파동인 광자로 구성되며, 이 광자는 질량이 없기 때문에 진공 상태에서는 일정한 속도로 움직입니다. 질량이 없기 때문에 중력이나 다른 힘에 의해 가속되거나 감속되지 않습니다.
지구과학·천문우주
Q. 세종대왕 대의 천문 관측 기구 중에 혼천의와 간의의 차이점은 무언가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.혼천의는 천구(하늘의 구형 구조)를 모방한 기구로, 하늘에서 일어나는 천체의 움직임을 기계적으로 재현할 수 있는 천문 관측 기구입니다. 지구를 중심으로 하여 천구를 모형으로 만들어, 천체의 움직임을 눈으로 쉽게 볼 수 있게 한 것입니다. 혼천의는 지구를 중심으로 한 여러 고리들이 서로 연결되어 있어, 각각의 고리가 하늘의 적도, 황도, 자오선 등의 궤도를 나타냅니다. 이 고리들이 움직이면서 천체의 위치를 재현할 수 있습니다. 혼천의는 천체의 움직임을 모형으로 나타내는 데 주로 사용되었으며, 천체의 운행 원리를 시각적으로 이해하고 설명하는 데 중요한 역할을 했습니다. 세종대왕 때에 이르러서는 중국에서 수입해 오던 혼천의의 구조를 개선하여 조선의 천문에 맞는 혼천의가 제작되었습니다. 이는 조선 고유의 천문학적 데이터를 반영한 발전된 기구였습니다. 간의는 혼천의와는 달리, 실제 천문 관측에 더욱 적합하게 만들어진 기구입니다. 혼천의가 천체의 움직임을 모형화한 기구라면, 간의는 하늘을 직접 관측하여 천문학적 데이터를 수집하는 데 중점을 둡니다. 간의는 고정된 몇 개의 고리와 각도 측정 장치로 이루어져 있습니다. 이를 통해 실제 하늘에서의 천체 위치를 정확하게 측정할 수 있습니다. 간의는 고정된 자오선과 천체의 위치를 나타내는 여러 고리들이 있어서 천체의 고도와 방위를 측정할 수 있었습니다. 간의는 천문 관측의 정확성을 높이기 위해 만들어진 기구로, 해와 달의 위치, 별의 고도 등을 정확하게 관측할 수 있었습니다. 주로 천체의 위치와 각도를 정확하게 측정하는 데 사용되었습니다. 간의는 혼천의에 비해 훨씬 정밀한 측정이 가능했으며, 세종 시대에 천문 관측을 체계적으로 할 수 있도록 도와주었습니다.
지구과학·천문우주
Q. 블랙홀이 유지되기 위해서 최소 임계치 질량이 필요한 이유가 무엇인가요
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.블랙홀은 항성이 중력에 의해 완전히 붕괴할 때 형성됩니다. 항성이 진화 마지막 단계에서 핵융합이 멈추면, 내부에서 방출되는 복사압(핵융합에 의해 발생하는 압력)이 중단되고, 항성의 자체 중력이 이를 이기게 됩니다. 이때 항성의 중력이 점차 강해지며 내부로 붕괴하게 되는데, 이 붕괴가 블랙홀이 될지 아니면 중성자별로 끝날지는 항성의 질량에 의해 결정됩니다. 태양 질량의 약 1.4배 이하의 항성은 백색 왜성으로 붕괴하게 됩니다. 질량이 1.4~3배 정도 되는 항성은 중성자별로 붕괴합니다. 항성의 질량이 톨만-오펜하이머-볼코프 한계(TOV 한계, 약 2.17 태양질량 이상)를 넘으면, 중성자들의 압력조차도 중력을 견디지 못하고 블랙홀로 붕괴하게 됩니다. 즉, 블랙홀이 형성되기 위해서는 충분한 질량이 있어야만 중력 붕괴가 일어나고, 중력 붕괴로 인한 압축이 너무 강해 탈출 속도가 빛의 속도보다 빠르게 되어 빛조차 빠져나갈 수 없는 상태를 만들어야 합니다. 이를 위해서는 최소한의 질량이 필요합니다. 블랙홀의 핵심은 그 물체의 중력이 슈바르츠실트 반지름을 초과할 정도로 강해지는 것입니다. 슈바르츠실트 반지름은 주어진 질량에 대해 중력이 모든 물체를 한 점으로 끌어당길 수 있는 이론적인 한계로, 이 경계를 넘어서면 탈출 속도가 빛의 속도보다 커져 빛조차 빠져나갈 수 없습니다. 이를 위해 충분한 질량이 필요합니다. 예를 들어, 태양의 질량이 그대로지만, 그 크기가 슈바르츠실트 반지름인 약 3km 이내로 압축되면, 블랙홀이 될 수 있습니다. 그러나 질량이 충분히 크지 않으면 이 크기로 압축될 수 있는 힘을 만들지 못하고 블랙홀이 형성되지 않습니다. 항성이 중력 붕괴를 견디기 위해 내부에서 발생하는 압력(전자축퇴압이나 중성자 축퇴압 등)이 있지만, 이 압력을 이기고 블랙홀로 붕괴하려면 일정 이상의 질량이 필요합니다. 작은 항성의 경우, 전자축퇴압이 중력 붕괴를 막아 백색왜성으로 남고, 조금 더 큰 항성의 경우 중성자 축퇴압이 작용해 중성자별로 붕괴합니다. 그러나 임계 질량을 초과한 항성은 중성자 축퇴압조차도 중력 붕괴를 막지 못해 블랙홀로 붕괴하게 됩니다. 이때 필요한 최소 질량이 바로 임계 질량입니다.