적색왜성

적색왜성(赤色矮星, , )은 작고 상대적으로 차가우며 태양의 0.081-0.5배 정도의 질량( 갈색왜성의 한계질량보다 크다; 갈색왜성은 엄밀히 말하자면 별이 아니다. )을 지닌 주계열성을 부르는 말이다. 헤르츠스프룽-러셀 도표에 따르면 적색 왜성의 스펙트럼형은 어두운 K형으로부터 M형까지이며, 표면온도는 3800켈빈을 넘지 않는다. 우주에 있는 별들의 약 90퍼센트 정도가 적색왜성인 것으로 알려져 있다(어떤 예측에 따르면 은하수의 3/4는 적색왜성으로 이루어져 있다고 생각된다).
이처럼 적색왜성은 은하계의, 적어도 태양 근처에서, 모든 별들중 가장 흔한별이나, 낮은 광도때문에 개개의 적색왜성을 관측하기 쉽지않다. 실제로 지구에서 육안으로 관찰할 수 있는 적색왜성은 없다. 태양으로부터 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리도 적색왜성이다 (M5형 항성이며 겉보기 광도는 11.05).
이론적으로 항성모델에 따르면, 태양질량보다 0.35배보다 작은 적색왜성은, 모든부분이 대류(에너지 전달의 한 형태)의 형태로 전달되는 부분으로 이루어 졌다고 생각된다. 따라서 헬륨은 별의 내부를 통해서 지속적인 수소의 열역학적핵합성에 의하여 만들어지고 다른별과는 다르게 그들의 중심부 핵을 만들지 않는다.
따라서 적색왜성은 아주 느리게 진화하며 거의 일정한 광도와 등급형태를 가지고 있으며, 이론에 따르면 몇조년의 시간이 흐르기전엔 그들의 연료는 고갈되지 않는다. 이를 우주의 나이와 비교를 해봤을때, 우주의 나이가 상대적으로 짧기 때문에 적색왜성으로부터 추후 진화과정이 진행(청색왜성이라 일컫는 별)되고 있는 항성은 존재하지 않는다.
특징.
적색왜성의 질량은 매우 가벼우며, 태양의 50%를 넘지 않는다. 따라서 항성 중심부의 온도가 낮으며, 핵융합 반응(양성자-양성자 연쇄반응에 의해 이루어진다.)의 속도가 상대적으로 느리며, 매우 약한 빛을 발산한다. 적색왜성 중 어떤 별의 광도는 태양의 1만 분의 1밖에 되지 않는 경우도 있다. 가장 밝은 적색왜성들(HD 179930, HIP 12961, Lacaille 8760)조차도 태양 밝기의 10% 수준에 불과하다.
일반적인 항성모델에 따르면 적색왜성이 태양질량의 0.35배보다 작으면 , 중심부에서 표면으로 에너지의 수송은 대류성을 띠게 된다. 적색왜성 내부의 수소가 소진되면 중심핵은 수축한다. 이 수축에서 발생하는 중력은 열로 치환되며, 이 열에너지는 대류작용으로 별 전체에 전달된다.
적색왜성은 내부의 에너지를 대류작용에 의하여 표면으로 옮긴다. 대류작용은 항성의 내부가 '불투명한 상태'이기 때문에 일어난다. 이는 항성 내부가 온도에 비하여 상대적으로 밀도가 높다는 뜻이다. 그 결과 항성 표면까지 복사과정으로 광자가 움직이기 힘들어진다. 따라서 적색왜성의 내부 에너지전달은 복사과정보다 대류과정의 형태를 띠게 되는데, 그 이유는 적색왜성의 물리적 상태하에서는 대류작용이 보다 효율적인 과정이기 때문이다. 적색왜성의 수소가 연소됨에 따라 핵융합반응 비율은 줄어들게 되고 중심부는 수축하기 시작한다. 중력에너지는 수축에너지가 열에너지로 바뀌면서 생기게 되며, 이는 대류작용을 통해서 옮겨지게 되는 것이다. 참고로 적색왜성의 질량이 0.35배보다 크다면 모든부분이 대류작용이 일어나지 않는부분이 생길 수 있다.
특히 후기의 적색왜성은 대류작용에 전적으로 의존하기 때문에 헬륨이 중심핵 부분에 축적되지 않는다. 따라서 적색왜성은 주계열에서 떠나기 전까지, 자신이 가진 수소를 태양같은 큰 별과 비교할 때 알뜰하게 소진할 수 있다. 이로 말미암아 적색왜성은 매우 오래 산다. 질량이 크면 수백억 년, 질량이 작으면 수조 년까지도 주계열상에서 버틸 수 있다. 이는 현재 알려진 우주의 나이보다 길다 (작은질량의 적색왜성일수록 더 오래산다). 태양질량의 0.8배 보다 작은 적색왜성은 주계열성을 떠나지 않는다.
컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 적색왜성이 적색거성이 될 수있는 최소한계질량은 태양질량의 0.25배의 적색왜성이다. 더 작은질량의 물체들은 그들의 일생동안 표면온도와 광도의 증가에 따라서 청색왜성을 거쳐서 결국 백색왜성으로 진화하게 된다. 예를 들면, 태양질량의 0.16배의 적색왜성은 (Bernard's star의 질량과 비슷) 주계열성에 2.5조년후 만큼 머물게 되며 50억년 동안 에 청색왜성으로 머물게 되며 태양의 1/3만큼의 광도를 지니며 표면온도는 6500-8500K이다.
작은질량의 별들과 함께 적색왜성 역시, 별성운의 나이를 짐작케 해주는 힌트가 존재 한다. 주계열성의 TO(turn off)점을 찾아서 비교해보면 된다. 이는 많은 정보를 제공해준다.
현재 밝혀지지 않은 의문은, 금속이 없는 적색왜성이 아직 발견되지 않았다는 것이다.(금속은 수소와 헬륨보다 무거운 모든 원소를 일컫는 말이다.) 대폭발 이론에 따르면 최초로 생겨난 별들은 수소, 헬륨, 리튬으로만 구성되었다. 만약 최초의 별들 중 적색왜성이 있었다면, 이들이 우주의 나이보다 훨씬 오래 살 수 있음을 고려할 때, 금속이 없는 왜성들은 지금도 발견되어야 한다.
여기에 대한 가장 유력한 설명은 다음과 같다. 대폭발로 태어난 별들은 질량이 큰 항성종족III밖에 없었다. 이들의 수명은 매우 짧았고, 종족III의 죽음으로 태어난 별들이 지금의 적색왜성이라는 주장이다.
다른 설명으로 종족III에 해당하는 적색왜성은 존재하나, 그 수가 적고 어둡기 때문에 아직 인류가 발견하지 못했다는 해석도 있다. 그러나 이 주장은 항성진화 이론과 충돌하기 때문에 인정되지 않고 있다.
적색왜성은 은하에 존재하는 항성들 중 가장 흔한 종류로, 항성들 중 대략 90% 정도의 비중을 차지한다. 지구에서 태양 다음으로 가까운 항성인 센타우루스자리 프록시마도 적색왜성이다. 그러나 적색왜성은 지상에서 맨눈으로 볼 수 없을 정도로 어둡기 때문에 개체수가 적은 것으로 착각하기 쉽다. 이와 반대로 밝고 큰 별들은 숫자는 적지만 체감적으로 개체수가 많은 것처럼 오인하게 된다.
외계행성의 존재.
많은 수의 외계행성들은 적색왜성들 주변을 돌고 있지만 목성크기의 행성은 상대적으로 드물다. 시선속도를 이용한 Doppler 연구방법에 의해서 많은 별들중,태양질량의 2배정도의 질량을 가진 별들 중에서 1/6정도의 별들은 한개 혹은 좀더 많은수의 목성질량의 행성을 갖게되고, 태양정도의 질량의 별들중 1/16정도의 숫자의 별들 이나 적색왜성들중 1/50정도의 숫자의 별들도 이와 같다.
반면에, 미세 중력렌즈 효과에 의하면 긴공전주기의 해왕성 정도의 질량은 3개의 적색왜성들중 1개의 적색왜성에서 발견된다. HARPS관측에 따르면 40%의 적색왜성들은 슈퍼지구정도의 질량의 행성들의 표면에 물이 있는등, 생명체가 살수있는 공전 공간에서 공전하고 있다고 밝혀졌다.
2005년 글리제 581 주변을 공전하는 외계행성이 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 17배 정도로, 해왕성과 거의 비슷하다. 모항성과의 거리는 600만km(0.04AU) 정도로, 글리제 581이 차가운 별임을 고려해도 표면온도는 150°C에 이를 것으로 추정된다. 2006년에는 적색왜성 OGLE-2005-BLG-390L 주변을 공전하는 외계행성이 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 5.5배 정도로, 모항성에서 3억 9천만km 떨어져서 공전하고 있었다. 행성의 표면온도는 -220 °C로 예상된다.
2007년 글리제 581 주변에서 생명체가 존재할 가능성이 높다고 추측되는, 외계행성 글리제 581c가 발견되었다. 이 행성의 질량은 지구의 5.03배로, 핵융합성 주위를 도는 행성 중 가장 작은 질량이었다. (중성자별 PSR B1257+12 주위를 도는 행성 중에는 지구 질량보다 작은 행성도 있다.) 행성의 반경은 만약 이 행성이 규산염질로 이루어져 있다고 가정할 경우 지구의 1.5배 정도이다. 얼음이나 기체로 이루어졌을 경우 그 반경은 더 클 것으로 생각된다. 글리제 581c는 지금까지 발견된 행성들 중 외계생명체가 존재할 가능성이 가장 높은 천체이다.
글리제 581d 역시 생명체가 존재할 가능성이 높은천체로 알려져있다. 2010년 9월에 글리제g가 생명체 거주가능한 공전궤도의 중간정도에서 발견되었는데 , 행성의 존재자체여부가 확실치 않다. 현재까지 알려진 행성중 글리제581c, 글리제581d가 생명체 거주 가능성이 가장 높은 천체로 알려져 있다.
생명체 거주 가능성.
적색왜성 주변을 도는 행성이 있고 이 행성이 액체 물이 존재할 온도를 제공할 수 있는 공전궤도에 있다고 가정하더라도, 이 행성에서 생명체가 살 수 있는지의 여부는 논란이 있다. 모항성이 무한에 가까운 수명을 지니고 있지만 여러 가지 요인이 인류가 살 수 있는 가능성을 방해한다.
첫째, 적색왜성은 매우 어둡기 때문에, 인류가 살 수 있을 정도의 온도를 확보하기 위해서는 가상행성은 모항성에 매우 가까이 붙어서 돌아야 한다. 그러나 가까운 거리로 말미암아 조석 고정(tidal locking) 현상이 발생하여 기조력 때문에 행성의 한 면만이 항성을 바라보게 된다. 이는 모항성을 바라보는 면은 영원한 낮이, 반대쪽은 영원한 밤이 계속된다는 뜻이다. 이런 환경에서는 생명체가 안정적으로 진화하기가 힘들어진다. 최근 이론에 따르면 이런 환경 하에서도 행성의 대기가 충분히 두꺼울 경우 한 쪽의 열을 반대쪽으로 이동시켜서 행성 전체의 온도가 고르게 유지될 수 있다고 한다. 또한 가스거대행성 주변을 돌고 있는 위성에도 생명체 거주 가능성은 있다. 이 위성은 조석고정이 행성에 일어남으로서 적색왜성에 대한 조석고정 문제점을 피해갈 수 있다. 따라서 위성은 밤낮 순환이 가능하게 되고 이에 열의 분배가 가능하다.
둘째, 태양이 발하는 빛이 가시광선 영역을 포함하는 것과는 달리, 적색왜성이 발산하는 빛은 대부분 적외선 영역에 몰려 있다. 이는 식물의 광합성 작용에 부적합하다. 또한 적색왜성은 자외선 영역을 거의 방출하지 않는데, 이 역시 생명체 거주에 필요한 영역이라서 문제가 될 수있다.
셋째, 가장 큰 문제점으로, 항성에서 나오는 빛의 양이 불규칙하다는 것이다. 적색왜성의 표면은 많은 흑점이 존재할 것으로 예상되는데 심할 경우 발산하는 빛의 40%가 감소하기도 한다. 또는 플레어 별이라고 부르는 적색왜성들의 경우 막대한 규모의 플레어를 수분 동안 발산하는데, 이때 행성이 받는 에너지는 두 배로 증가하며 에너지의 증가로 말미암아 생명체의 생체기관은 손상을 입게 된다. Gibor Basri (UC Berkeley team)는 행성의 대기가 이 섬광을 막을 수 있다고 주장하기도 했다.
예.
아래 목록은 지구에서 10광년 이내에 위치한 적색 왜성(M형 주계열성)이다.