별의 특성_별의 물리량

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① 분광 관측의 역사

17세기에 뉴턴은 프리즘을 통과한 햇빛이 무지개처럼 여러 색으로 나우어지는 것을 발견하고, 이를 스펙트럼이라고 불렀다.
1814년 프라운호퍼는 태양의 스펙트럼에서 324개의 검은 흡수선을 발견하였다.
19세기에 허긴스는 별의 스펙트럼을 분석한 결과 별이 나트륨, 칼슘, 철, 수소 등의 원소로 이루어져 있는 것을 발견하였으며, 1864년에는 성운의 스펙트럼을 분석하였다.
20세기 초 피커링과 캐넌은 별의 스펙트럼에서 나타나는 수소 흡수선의 세기에 따라 별을 A, B, C, ..., P형의 16가지로 구분하였다. 그 후 흡수선의 세기가 별의 표면 온도와 관련이 있음을 알고, 표면 온도에 따라 나타나는 흡수선의 종류와 세기를 기준으로 O, B, A, F,G, K, M형의 7가지로 분광형을 분류하였다.
1943년 모건과 키넌은 별의 스펙트럼에 나타난 흡수선의 선폭을 분석하여 분광형과 광도계급을 고려한 별의 분류법인 M-K 분류법(여키스 분류법)을 고안하였다.

② 스펙트럼의 종류

연속 스펙트럼 : 넓은 파장 범위에 걸쳐 연속적으로 나타나는 색의 띠를 연속 스펙트럼이라고 한다. 백열등 빛을 프리즘에 통과시키면 무지개 색깔의 연속적인 색의 띠를 관찰할 수있다.
흡수 스펙트럼 : 연속 스펙트럼이 나타나는 빛을 온도가 낮은 기체에 통과 시키면 연속 스펙트럼 위에 검은색 선(흠수선)들이 나타나는데, 이를 흡수 스펙트럼이라고 한다. 별의 대기에 존재하는 저온의 기체가 별이 방출하는 빛 중에서 특정 파장의 빛을 흡수할 때 흡수 스펙트럼이 나타난다.
방출 스펙트럼 : 기체가 고온으로 가열될 때 불연속적인 파장의 빛이 방출되는데, 특정 파장에 해당하는 빛의 밝은 선(방출선)이 나타나는 스펙트럼을 방출 스펙트럼이라고 한다.

① 흑체 복사 : 입사하는 모든 복사 에너지를 흡수하고, 흡스한 복사 에너지를 모두 방출하는 이상적인 물체를 흑체라고 한다.

(λmax) = a/T(a=2.898 x 10³ ㎛·K)

별의 색과 표면 온도 : 별은 거의 흑체와 같이 복사하므로, 별의 표면 온도가 높을수록 최대세기로 에너지를 방출하는 파장이 짧아 파란색을 띠고, 표면 온도가 낮을수록 최대 세기로 에너지를 방출하는 파장이 길어 붉은색을 띤다.

② 색지수와 표면 온도 : 색지수는 별의 표면 온도를 나타내는 척도로 사용되며, U, B, V 필터로 정해지는 겉보기 등급의 차를 이용한다.

U, B, V 필터 : 별의 등급과 색을 측정하기 위해 보통 U(ultraviolet), B(blue), V(visual) 세 종류의 필터를 사용하는데, U, B, V 필터는 각각 0.36Α㎛, 0.42㎛, 0.54㎛ 부근 파장의 빛만을 통과시킨다. 이들 필터로 정해지는 겉보기 등급을 각각 U, B, V 등급이라고 하며, 보통(B-V)를 색지수로 활용한다.
색지수와 표면 온도 : 표면 온도가 높은 별은 파장이 짧은 자외선과 파란색 부근에서 에너지를 많이 방출하므로 B 등급이 작지만, 파장이 긴 붉은색 부근에서는 에너지를 적에 방출하므로 V등급이 크다. 즉, 별의 표면 온도가 높을수록 색지수(B-V)는 작아지고, 표면 온도가 낮을수록 색지수(B-V)는 커진다.

※ 분광 관측

분광기를 사용하여 전자기파를 파장별로 분산시켜서 나타난 스펙트럼을 관측하는 것을 분광 관측이라고 한다. 분광 관측은 별의 물리량 파악에 중요한 역할을 한다.

※ 전자기파

전자기파는 파장에 따라 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외석, 전파로 구분하며, 감마선에서 전파 쪽으로 갈수록 파장이 길어진다. 가시광선 중 파란색 빛은 붉은색 빛보다 파장이 짧다.

※ 흑체 복사

※ 색지수

서로 다른 파장대의 필터로 관측한 별의 겉보기 등급 차이로, 짧은 파장대의 등급에서 긴 파장대의 등급을 뺀 값으로 정의한다. 표면 온도가 약 10000K인 흰색의 별은 색지수가 0이다.

③ 분광형과 표면 온도 : 별의 대기에 존재하는 원소들은 별의 표면 온도에 따라 스펙트럼의 특저한 영역에서 흡수선을 형성하므로, 흡수 스펙트럼선의 종류와 세기는 별의표면 온도에 따라 달라진다.

분광형 : 별의 표면 온도에 따라 스펙트럼을 O, B, A, F, G, K, M형의 7개로 분류하며, 각각의 분광형은 다시 고온의 0에서 저온의 9까지 10등급으로 세분한다. O형 별은 표면 온도가 가장 높고 파란색을 띠며, M형 별로 갈수록 표면 온도가 낮아지고 붉은색을 띤다.
별의 표면 온도에 따라 이온화되는 정도가 다르고, 각각 가능한 이온화 단계에서 특정한 흡수선을 형성하기 때문에 별빛의 스펙트럼에는 별마다 다양한 흡수선이 나타난다.
표면 온도가 높은 O형, B형 별에서는 이온화된 헬륨이나 중성 헬륨의 흡수선이, 표면 온도가 낮은 K형, M형 별에서는 금속 원소와 분자에 의한 흡수선이 강하게 나타나며, 표면 온도가 약 10000K인 A형 별에서는 중송 수소 흡수선이 강하게 나타난다.
태양은 표면 온도가 약 5800K인 노란색 별로, 이온화된 칼슘 흡수선이 가장 강하게 나타나며, 분광형은 G2형이다.

※ 중성 원자와 이온의 표현