3강. 항성(별, star)
추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차
1. 명칭 및 항성표 [본문]
2. 별자리 [본문]
3. 종류 [본문]
4. 밝기와 등급 [본문]
5. 거리 [본문]
6. 온도 [본문]
7. 크기, 질량, 밀도 [본문]
8. 운동 [본문]
9. 일생 [본문]
1. 명칭 및 항성표 [목차]
⑴ 고유명법
⑵ 알파벳법
⑶ 적경법
⑷ 항성표법
2. 별자리 [목차]
⑴ 별자리
① 정의 : 별들을 연결하여 신화 속 인물, 동물, 물건의 이름을 붙인 것
② 국제적인 표준 별자리 : 88개
③ 한 별자리를 구성하는 별들의 거리는 동일하지 않음
⑵ 북극성 부근 별자리
① 개요
○ 북극성 : 지구의 정북 방향(자전축 북극 방향)에 있음
○ 북극성 부근에 있는 별자리들을 계절에 관계없이 항상 볼 수 있음
② 주요 별자리
○ 큰곰자리(ursa major) : 북두칠성을 포함
○ 작은곰자리(ursa minor) : 북극성을 포함
○ 카시오페이아자리(Cassiopeia) : W자 모양
○ 세페우스자리(Cepheus) : 오각형 모양
③ 북극성 결정(star navigation map)
Figure. 1. 북극성 결정
Figure. 2. 북극성 결정
○ 북두칠성 이용 : 국자 모양의 마지막 두 별을 연결하여 그 거리를 5배 연장
○ 카시오페이아자리 이용 : 1번, 2번 연장선과 4번, 5번 연장선의 교점과 3번이 이루는 거리를 5배 연장할 때 만나는 별
④ 기타
○ 북두칠성은 사실상 8개의 별로 구성
⑶ 계절과 성좌
① 별들의 운동
○ 일주운동 : 지구의 자전
○ 연주운동 : 지구의 공전
○ 계절별 별자리 : 지구의 공전 때문
② 봄철 별자리
○ 목동자리, 처녀자리, 사자자리 등
○ 봄철 대삼각형 : 아르크투루스(목동자리), 데네볼라(사자자리), 스피카(처녀자리)
○ 봄철 대곡선 : 북두칠성 손잡이 끝, 아크투루스, 스피카
③ 여름철 별자리
○ 백조자리, 거문고자리, 독수리자리, 허큘리스자리 등
○ 여름철 대삼각형 : 데네브(백조자리), 직녀성(거문고자리), 견우성(독수리자리)
○ (참고) 음력 7월 7일은 견우와 직녀가 만나는 칠석
④ 가을철 별자리
○ 페가수스자리, 안드로메다자리, 물고기자리, 양자리 등
○ 가을철 사각형 : 페가수스자리를 이루는 네 개의 별
⑤ 겨울철 별자리
○ 오리온자리, 큰개자리, 작은개자리, 쌍둥이자리, 마차부자리, 황소자리 등
○ 겨울철 대삼각형 : 프로키온(작은개자리), 베텔게우스(오리온자리), 시리우스(큰개자리)
○ 겨울철 대육각형 : 시리우스(큰개자리), 프로키온(작은개자리), 폴룩스(쌍둥이자리), 카펠라(마차부자리), 알데바란(황소자리), 리겔(오리온자리)
⑥ 주요 별
○ 북극성 : 실시등급 2.0, 절대등급 -3.7
○ 베텔게우스 : 실시등급 0.8, 절대등급 -5.5
○ 카펠라 : 마차부자리, 실시등급 0.0, 절대등급 -0.7
○ 시리우스 : 큰개자리, 실시등급 -1.5, 절대등급 1.4
○ 데네브 : 실시등급 1.3, 절대등급 -6.9
3. 종류 [목차]
⑴ 변광성(variable star) : 자체 변광성과 식 변광성으로 구분
(가) : 식 변광성, (나) : 자체 변광성
⑵ 종류 1. 식 변광성
① 쌍성 : 짝을 이루고 회전하는 한 쌍의 별
Figure. 5. 쌍성
② 식 변광성 (식쌍성, eclipsing binary stars) : 쌍성에서 서로 식현상을 일으켜 광도가 규칙적으로 변하는 변광성
⑶ 종류 2. 셰페이드 변광성(자체 변광성, Cepheid variable) : 시간에 따라서 별 자체의 광도가 변하는 별
① 개요
○ 이러한 변광성은 세페우스 자리 중 세페우스 델타에서 처음으로 발견됨
○ 헨리에타 리비트라는 여성 과학자가 1912년 논문에서 최초로 메커니즘을 보고
② 변광곡선 : 광도의 변화를 나타내는 그래프
Figure. 6. 종족 Ⅰ형과 종족 Ⅱ형 세페이드 변선의 변광 주기와 절대 등급의 관계
○ 주기가 길수록 항성의 크기는 커지고 절대등급이 작아짐
○ 종족 Ⅰ형 : 무거운 원소, 젊은 별
○ 종족 Ⅱ : 가벼운 원소, 늙은 별
○ 주기-광도 관계는 거리를 알고 있는 셰페이드 변광성을 이용하여 위 곡선을 구함
③ 주기에 따른 분류
○ 단 주기변광성 : 주기가 100일 이내
○ 장 주기변광성 : 주기가 100일 이상
④ 유형에 따른 분류
○ 맥동성 변광성 : 심장 박동처럼 밝기가 맥동하는 것. 주로 늙은 별
○ 부푼 상태 → 수축 시작 → 중심부 조금 바깥쪽의 수소들이 핵융합 반응 → 밝아지며 팽창 시작 → (반복)
○ 폭발 변광성
⑷ 신성
⑸ MACHO(massive astronomal compact halo object) : 빛이 나는데 실패한 천체
4. 밝기와 등급 [목차]
⑴ 광도(L) : 밝기
⑵ 등급 : 광도를 로그 스케일로 표시한 것
① 절대등급(M) : 10 pc에 별이 있다고 가정했을 때 판단한 등급
○ 1등성이 6등성보다 100배 더 밝도록 등급을 정의함
○ 6등성 : 육안으로 볼 수 있는 가장 어두운 별
② 겉보기등급(m) : 모든 밝기를 지표 관찰자 입장에서 판단한 등급
⑶ 중요 관계식
① 광도와 절대등급의 관계
○ 1등성이 6등성보다 100배 더 밝음을 통해 유도함
○ 서로 다른 별을 비교할 때 사용함
② 겉보기등급(m)과 절대등급(M)과의 관계 (겉절이 공식)
○ 광도가 거리의 제곱에 반비례함을 통해 유도
○ 동일한 별을 비교할 때 사용함
5. 거리 [목차]
⑴ 비교적 가까운 곳에 있는 항성의 거리 : 연주시차법(삼각법)
① 1838년 독일 천문학자 베셀에 의해 발견됨
② 1 pc : 연주시차가 1초(")일 때의 거리
③ 거리(pc) = 1 / 연주시차(")
④ 보충
○ 각도가 매우 작으면 θ ≒ tan θ ∝ 1 / 거리
○ θ = 1 AU ÷ 1 pc = 1/3600 × π/180 (단, 1 AU = 1.5 × 108 km)
○ 1 pc = 3.09 × 1016 m = 3.26 광년
⑵ 아주 먼 곳에 있는 항성의 거리
① 자체 변광성의 한 유형인 셰페이드 변광성를 이용
② 단계 1. 주기 측정
③ 단계 2. 변광곡선, 즉 주기-광도 관계를 통해 광도 측정
④ 단계 3. 절대광도를 통한 절대등급과 겉보기등급을 통해 거리 결정
○ 전제 1. 항성이 관찰자로부터 10 pc 떨어져 있을 때 절대 등급 = 겉보기 등급
○ 전제 2. 빛의 세기 100배 증가 → 5등급 감소
○ 전제 3. 거리 x배 증가 → 빛의 세기 x2배 감소
○ 소결론 : 거리가 10배 증가하면 빛의 세기는 100배 감소하고 겉보기등급은 5등급 증가
○ 대결론 : 포그슨 방정식(Pogson's fomula)
눈으로 본 별의 등급 (m) - 그 별의 실제 밝기에 따른 등급 (M) = 5 log 거리 - 5
○ 암기 팁. 겉절이 공식
⑤ 이를 통해 허블은 안드로메다의 은하의 거리를 알아내어 외부은하에 대한 섀플리와 커티스의 논쟁(1920)을 종결
⑶ 수와 분포
① 선택검사법
6. 온도 [목차]
⑴ 유효온도 : 지구에서 본 항성표면의 겉보기 온도
① 스펙트럼형(분광형) : 표면온도에 따라 O - B - A - F - G - K - M의 7가지 형태로 분류한 것
○ 분광형 또는 색지수라고도 함
○ 태양의 분광형은 G2V형 (단, V는 광도 계급)
② 색지수가 증가할수록 표면온도가 감소함 : O형이 가장 색지수가 작음
○ 색지수 : 사진등급 - 안시등급 또는 UBV filter에서 B - V를 의미함
○ U(ultraviolet), B(blue), V(visual)
③ 암기 팁. Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me
⑵ H-R도 : 주계열성의 경우 절대등급과 분광형 간 유의미한 상관관계 존재
Figure. 8. H-R도 (ㄱ : 초거성, ㄴ : 거성, ㄷ : 주계열성, ㄹ : 백색 왜성)
① Ⅰ : 초거성
② Ⅱ : 휘거성
③ Ⅲ : 거성
④ Ⅳ : 준거성
⑤ Ⅴ : 주계열성
⑶ 항성의 열원
① 수축설
② 질량복사설
③ 융합반응설
7. 크기, 질량, 밀도 [목차]
⑴ 항성의 크기
① 중력 : 별의 중심 방향으로 작용
② 내부 압력 : 수소 핵융합 반응으로 발생하여 바깥쪽으로 작용
③ 별의 중력과 내부 압력이 평형을 이루어 별의 크기가 일정하게 유지됨
⑵ 항성의 질량
① 연성, 주성, 반성
② 질량-광도 관계
⑶ 항성의 밀도
8. 운동 [목차]
⑴ 시선속도 : 별빛 스펙트럼의 변화를 측정하여 구할 수 있음
① 수식화 : 빛의 속도 c에 대하여,
② 별의 시선속도를 이용하여 은하의 회전을 증명하였음
⑵ 접선속도 : 거리와 각거리를 통해 구할 수 있음
① 접선 속도 = 4.74 μr
○ μ : 고유운동 (단위 : " / 년)
○ r : 거리 (단위 : pc)
② 고유 운동 : 별이 1년 동안 천구상을 이동하는 각거리
⑶ 공간속도 : 피타고라스 관계식으로 구할 수 있음
① 공간속도2 = 시선속도2 + 접선속도2
9. 일생 [목차]
⑴ 핵융합 반응
① 양성자-양성자 반응(p-p reaction) : 태양의 경우 대부분 양성자-양성자 반응으로 수소가 핵융합을 함
② CNO 순환반응 : 태양과 비슷한 질량의 주계열성의 경우 탄소, 질소, 산소 순환반응도 일어남
⑵ 별의 탄생 : 성간물질과 고압 저온의 먼지에 의해 탄생
① 1st. 가스 구름 형성 : 수소와 헬륨으로 이루어진 성간 물질이 가스 구름을 이룸
② 2nd. 성운 형성 : 가스 구름이 중력 작용으로 수축하여 성운이 형성
○ 중력 수축 에너지 : 성간 물질이나 원시별 등이 중력에 의해 수축하면 중력 퍼텐셜 에너지가 감소하여 열이 발생
③ 3rd. 원시별 형성 : 성운 내부의 물질의 밀도가 큰 부분에서 원시별이 형성
○ 하나의 성운에서 여러 개의 원시별이 만들어짐
○ 원시별은 중력에 의해 수축하면서 온도와 압력이 높아짐
④ 4th. 별의 탄생 : 원시별의 내부 온도가 1000만 K 이상이 되면 수소 핵융합 반응이 일어나 빛을 방출
○ (주석) 원시별은 수소 핵융합 반응이 아니라 중력 수축이 에너지원임을 유의할 것
⑶ 질량이 태양보다 작은 별 : 적색 거성이나 초거성으로 진화하지 못하고 백색왜성(white dwarf)으로 바로 진화함
⑷ 질량이 태양과 비슷한 별 : 중심부에서 P-P 반응이 우세하게 일어남. CNO 순환 반응이 아님
① 5th - 1st. 주계열성 : 수소 핵융합 반응이 일어나는 단계
○ 주계열성 : 수소 핵융합 반응으로 에너지를 방출하는 별
○ 특징 1. 안정적인 상태 : 내부의 폭발이 밖으로 밀어내는 힘과 중력으로 수축하는 힘이 균형을 이룸. 별의 크기가 일정하게 유지
○ 특징 2. 별은 일생의 대부분을 주계열성으로 보냄 (∵ 수소는 별에서 가장 풍부한 원소이므로)
② 5th - 2nd. 적색 거성 : 헬륨 핵융합 반응이 일어나는 단계
○ 5th - 2nd - 1st. 주계열성의 중심부에서 수소가 고갈되어 핵융합 반응이 중단
○ 5th - 2nd - 2nd. 중심부가 수축 : 밀도 증가, 온도 증가. 헬륨의 핵융합 반응이 탄소와 산소가 생성
○ 5th - 2nd - 3rd. 중심부 수축으로 인한 열로 인해 중심부 바깥의 수소층이 가열
○ 5th - 2nd - 4th. 중심부 바깥의 수소층에서 수소 핵융합 반응이 일어나면서 내부 압력이 커져 별이 팽창
○ 5th - 2nd - 5th. 별이 팽창하면서 표면 온도가 낮아져 적색 거성이 됨
○ 특징 : 무거운 핵을 만듦. 광도 높음. 외부 밀도 낮음
○ 생성 원소 : 헬륨, 탄소, 산소, 철보다 가벼운 원소
○ 별의 내부 구조 : 바깥에서부터 수소, 헬륨 및 산소, 탄소
○ 탄소 핵융합 반응까지만 일어나는 이유 : 태양과 질량이 비슷한 별은 탄소 핵융합에 필요한 온도까지만 도달함
③ 5th - 3rd. 행성상 성운, 백색 왜성 : 더이상 핵융합 반응이 일어나지 않는 단계
○ 5th - 3rd - 1st. 별 중심부의 헬륨이 고갈되어 헬륨 핵융합 반응이 멈춤
○ 5th - 3rd - 2nd. 바깥층은 팽창하여 행성상 성운이 됨
○ 5th - 3rd - 3rd. 중심부는 수축하여 백색 왜성이 됨
○ 행성상 성운으로 외부 대기를 상실
○ 핵은 탄소 및 산소 등 무거운 물질로 이루어짐 : 수축 상태
○ 예 : 시리우스 B
⑸ 질량이 태양의 약 10배인 별
① 6th - 1st. 주계열성 : 수소 핵융합 반응이 일어나는 단계
○ 주계열성 : 수소 핵융합 반응으로 에너지를 방출하는 별
○ 특징 1. 안정적인 상태 : 별의 크기가 일정하게 유지
○ 특징 2. 별은 일생의 대부분을 주계열성으로 보냄 (∵ 수소는 별에서 가장 풍부한 원소이므로)
② 6th - 2nd. 초거성 : 헬륨, 산소, 규소 등 철 이전의 원소의 핵융합 반응이 일어나는 단계
○ 6th - 2nd - 1st. 주계열성 이후 별이 매우 팽창하여 초거성이 됨
○ 6th - 2nd - 2nd. 초거성의 중심부에서 온도가 계속 높아져 헬륨, 탄소, 산소, 규소 핵융합 반응이 일어나 철이 생성
○ 생성 원소 : 헬륨, 탄소, 산소, 철보다 가벼운 원소, 철
○ 철까지만 생성되는 이유 : 철 원자핵이 매우 안정하기 때문
Figure. 10. 질량수와 핵자당 결합에너지 그래프
③ 6th - 3rd. 초신성 : 엄청난 양의 에너지가 방출되는 현상
○ 6th - 3rd - 1st. 별의 중심부에서 철이 만들어지고 핵융합 반응이 멈춤
○ 6th - 3rd - 2nd. 별이 급격하게 수축하여 온도가 급격하게 높아짐
○ 6th - 3rd - 3rd. 급격한 온도 증가로 폭발이 발생하여 엄청난 양의 에너지가 발생
○ 6th - 3rd - 4th. 초신성에 의해 철보다 무거운 원소가 만들어짐
○ 특징
○ 초신성은 단일 별로서 은하 전체와 맞먹는 빛을 냄
○ type 1a 초신성의 절대밝기는 모두 같음
○ 생성 원소 : 금, 우라늄 등 철보다 무거운 원소
○ 초신성과 생명체
○ 50광년 떨어진 초신성 : 모든 생명체를 멸종시킴
○ 100광년 떨어진 초신성 : 대기 중 방사선 수치를 급격히 증가시킴
○ 120광년 떨어진 초신성 : 해양 생물 대규모 멸종
④ 6th - 4th. 중성자별 : 핵융합 반응이 멈춘 별에서 초신성으로 대기가 제거된 상태
○ 남은 중심부는 밀도가 큰 중성자별이 됨
○ 중성자로만 구성돼 있음
○ 이유 : 양성자가 에너지를 흡수하면 중성자가 됨. 수축 과정에서 많은 에너지가 발생하여 중성자로만 구성
○ 특징 : 강력한 자기장(펄서)을 가짐
⑹ 질량이 태양보다 매우 큰 별
① 7th - 1st. 주계열성 : 질량이 태양의 약 10배인 별과 비슷
② 7th - 2nd. 초거성 : 질량이 태양의 약 10배인 별과 비슷
③ 7th - 3rd. 초신성 : 질량이 태양의 약 10배인 별과 비슷
④ 7th - 4th. 블랙홀
○ 중성자별보다 무거운 천체 : 모든 에너지와 질량을 흡수
○ 빛마저도 탈출하지 못하기 때문에 어두운 구멍이라는 뜻의 블랙홀로 명명
○ 블랙홀 원반에 수직한 축 방향으로 X선을 방출
○ 2019년 최초로 블랙홀을 관측함
Figure. 11. 최초로 블랙홀을 관측한 사진
⑺ 제1종족, 제2종족
⑻ 별이 어느 단계에 있는지 판별하는 방법
Figure. 12. 별이 어느 단계에 있는지 판별하는 방법
입력: 2019.04.07 10:17
수정: 2024.03.10 21:40
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