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쌍성 – Binary Star

쌍성(binary star)은 두 항성이 공통된 질량중심을 중심으로 공전하는 항성계(star system)입니다. 두 별 중 밝은 별을 주성(primary star)이라고 하고, 다른 별을 동반성(companion star)이라고 합니다. 그동안의 여러 연구에 따르면 많은 별들이 쌍성계를 이루고 있거나 다중성계(multiple star system;두 개 이상의 별이 모인)를 이루고 있다고 합니다.

이런 별을 쌍성이라고 합니다.

쌍성은 이중성(double star)과 다릅니다. 이중성은 지구에서 보았을 때 가까이 있는 두 별을 말합니다. 이 두 별이 실제로 쌍성계를 이루고 있을 수도 있고, 혹은 물리적인 상호 작용없이 단순히 가까이 있는 것처럼 보이는 것일 수도 있습니다. 이중성은 쌍성과 광학적으로 구별할 수 있습니다. 이중성을 이루는 별의 각각의 고유 운동(proper motion)이나 시선속도(radial velocity)의 차이가 충분히 크거나, 혹은 시차(parallax) 측정으로 두 별과 지구 사이의 거리가 충분히 멀때 이중성이라고 합니다. 하지만 현재까지 알려진 많은 이중성 중 대부분이 쌍성인지 이중성인지 정확히 밝혀지지 않았다고 합니다.

쌍성계는 천체물리학적으로 중요한 의미를 지닙니다. 두 별의 궤도를 가지고 각 별의 질량을 알 수 있고, 질량을 통해 반지름이나 밀도 등 별의 성질을 구할 수 있기 때문입니다. 게다가 한 별의 질량과 밝기를 가지고 질량과 광도의 관계(mass-luminosity relationship;MLR)를 실험적으로 구하기도 합니다.

쌍성은 주로 광학적으로 발견되는데 이런 쌍성을 안시쌍성(visual binary)이라고 부릅니다. 많은 안시쌍성들은 광학적으로 분리될 수 있을 만큼 궤도가 크고 불확실하며, 한 주기가 굉장히 깁니다.
안시쌍성처럼 직접적으로 판정되는 경우 외에도 분광학(spectroscopy)이나 위치 천문학(astrometry) 등의 간접적인 기술에 의해 쌍성이 발견되기도 합니다. 이런 경우를 각각 분광쌍성(spectroscopic binary), 측성쌍성(astrometric binary)이라고 부릅니다.
또한, 쌍성을 이루는 두 별이 우리의 시야와 동일한 평면에 놓여있는 경우 별들이 서로 가리면서 지나갈 수 있습니다. 이런 경우를 식쌍성(eclipsing binary)이라고 합니다. 식쌍성은 별들이 서로를 가릴 때 일어나는 밝기 변화에 의해 밝혀지기 때문에 측광쌍성(photometric binary)이라고 하기도 합니다.

만약 쌍성계를 이루는 별들이 충분히 가까워서 서로의 바깥쪽 항성 대기(outer stellar atmosphere)를 중력으로 뒤트는 일도 있습니다. 몇몇 경우가 있는데, 이렇게 가까운 쌍성계는 질량을 교환하거나 단일 항성으로는 불가능한 상태 변화(evolution)를 거칠 수 있습니다. 시리우스나 고니자리 X-1(Cygnus X-1)가 이런 경우에 속합니다.(특히 고니자리 X-1은 쌍성 중 하나가 블랙홀이라고 추측됩니다.)
또한 쌍성은 많은 행성상 성운(planetary nebulae)의 핵인 경우가 많고, 신성(nova)이나 초신성(supernova)의 초기 모습이기도 합니다.

그럼, 이런 쌍성들은 어떻게 생겨난 것일까요??
먼저 두 별이 서로의 중력에 잡혀 생성될 수 있습니다.(gravitational capture) 에너지 보존 법칙에 따라 단 두개의 천체가 서로를 붙잡는 일은 일어나지 않기 때문에 이 과정에는 적어도 3개의 천체가 필요합니다. 그리고 이 과정은 확률이 매우 낮기 때문에 실제 우주에 많은 쌍성의 개수를 설명할 수 없고, 이는 이 과정이 쌍성이 생성되는 주요한 과정이 아니라는 것을 의미합니다. 게다가 전주계열성(pre-main sequence star;PMS)을 포함한 쌍성이 관측되면서 오히려 별이 형성되기 이전에 쌍성이 형성된다는 이론이 지지받고 있습니다. 즉, 원시성(protostar)이 형성될 때 분자 구름이 분열하여 쌍성계나 다중성계가 생겼다는 것이지요.

하지만 삼체 운동(three body problem)의 결과로 3개의 별이 적당한 질량을 가졌을 때, 셋 중 한 별이 멀리 떠나가는 것으로, 그리고 다른 심각한 간섭이 없다는 가정 하에 남은 두 별이 쌍성계를 이룰 수는 있습니다.

이런 식으로 생성된 쌍성은 주계열성 단계에서 시간이 갈수록 별의 크기가 커지기 때문에 별의 크기가 로슈 로브(Roche lobe)를 넘어갈 수 있습니다. 이럴 경우에 커진 별의 물질들이 그 별보다 동반성의 중력을 더 강하게 받아서 동반성으로 흘러들어가는 현상을 관측할 수 있습니다. 이런 현상을 로슈 로브 넘침(Roche Lobe overflow;RLOF)이라고 합니다. 이 현상은 드물지 않게 관측할 수 있는데, 강착원반(accretion disc)이 쌍성계에서 가장 밝기때문에 가끔씩 강착원반만이 관측되는 경우도 있습니다.

쌍성

로슈한계넘침(RLOF) 현상을 나타낸 그림입니다.

게다가 별이 로슈 로브를 넘어서 남는 물질을 동반성으로 보내는 속도보다 빠르게 성장하면, 물질은 동반성으로 흘러가기도 하고, 동시에 그 쌍성계를 떠나서 다른 라그랑주 점(Lagrange point)으로 흘러가기도 합니다. 별이 빠르게 성장하기 때문에 물질도 동반성과 쌍성계 바깥, 이 두 곳으로 빠르게 흘러 나가는 것이지요.
보통 별들의 성장은 그 별의 질량에 좌우되기 때문에 이런 과정은 두 별의 성장에 큰 영향을 미치게 되고, 단일 항성에서는 볼 수 없는 진화과정을 보이기도 합니다.

또한, 쌍성 중에는 외부의 간섭에 의해 두 별의 중력 연결이 끊어지는 경우도 있습니다. 그 결과 두 별은 각각 단일 항성으로서 성장하게 됩니다. 두 쌍성계가 만났을 때 이런 현상이 일어날 수 있습니다. 이 경우 빠른 속도로 쌍성계에서 멀어지는 별이 나타나는데요, 이런 별은 도망성(runaway star)이 됩니다.

쌍성 중에서 특히 백색 왜성을 포함한 쌍성은 신성(nova)의 원인이 될 수 있습니다. 만약 쌍성계에 백색 왜성과, 로슈 로브를 넘은 동반성이 있다면 백색 왜성은 계속해서 동반성에게서 물질을 흡수하게 됩니다. 이렇게 흡수된 물질들은 백색 왜성의 강한 중력에 이끌려 별의 표면에 압축되는데요, 바깥에선 계속해서 물질이 들어오기때문에 점점 압축되고, 높은 온도로 가열됩니다. 백색 왜성에는 축퇴 물질(degenerate matter)이 있기 때문에 열에 민감하지 않지만 별 표면의 흘러들어온 수소는 그렇지 않습니다. 수소 융합반응부터 CNO 순환(CNO cycle)까지 일어날 수 있습니다. 이런 과정에서 엄청난 에너지가 방출되고, 백색 왜성 표면의 가스들을 날려버립니다. 결과적으로 매우 밝은 빛이 관측될 수 있고, 이를 신성(nova)라고 하는 것이지요.

좀 더 극단적인 경우는 백색 왜성이 흘러들어온 물질들에 의해 찬드라셰카르 한계(Chandrasekhar limit)를 넘었을 때 일어납니다. 이 경우 초신성(supernova) 폭발이 일어나고 별이 파괴됩니다.

우리은하에서 약 1/3의 별이 쌍성, 다중성계를 형성하고 있고, 나머지 2/3 정도가 단일 항성으로 존재한다고 합니다.

쌍성의 공전 주기와 궤도의 이심률(eccentricity) 사이에는 직접적인 관계가 있습니다. 즉, 주기가 짧을수록 이심률이 작아집니다. 쌍성은 상상할 수 있는 어떤 형태로든지 나타날 수 있습니다. 어떤 쌍성계는 매우 가까이 공전한 나머지 거의 접촉해 있는 경우가 있는가 하면 어떤 쌍성계는 멀리 떨어져 있어서 동일한 고유 운동(proper motion)을 하는 것으로만 쌍성임을 확인할 수 있는 경우도 있습니다.
중력으로 연결된 쌍성계 사이에서 주기는 대다수의 쌍성계가 약 100년의 주기로 공전하는 로그 정규분포(log normal distribution)를 따릅니다. 이런 로그 정규분포를 따른다는 사실은 쌍성계가 별들이 생성될 때부터 생겨났다는 설을 지지하는 증거이기도 합니다.

쌍성의 두 별이 밝기가 같을 경우에는 두 별이 같은 스펙트럼형을 나타냅니다. 하지만 쌍성의 두 별이 밝기가 다른 경우, 더 밝은 별이 거성이면 다른 별이 더 파랗고, 더 밝은 별이 주계열성이면 다른 별은 더 빨갛게 나타납니다.

쌍성 중 몇몇은 밤하늘에서 육안으로도 볼 수 있습니다. 알비레오(Albireo)는 두 별의 색이 다른, 가장 찾기 쉬운 안시쌍성입니다. 고니자리(Cygnus)에서 찾아볼 수 있습니다. 큰개자리(Canis Major)의 시리우스(Sirius)역시 쌍성입니다. 이렇게 밤하늘에 떠있는 별 중에 쌍성/다중성을 꽤 많이 볼 수 있는데요, 한번 찾아보는 건 어떨까요?? ==★

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