H-R 도 — 별을 온도와 광도로 찍으면 왜 한 줄에 모일까

별은 하나하나 보면 제각각입니다. 크기도 밝기도 색도 다릅니다. 그런데 별 수천 개를 표면 온도와 광도, 단 두 값으로 한 장에 점으로 찍어 보면 이상한 일이 벌어집니다. 점들이 종이 전체에 흩어지지 않고 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 이어지는 대각선 한 줄에 몰립니다. 이 그림이 H-R 도입니다. 무엇이 별들을 그 줄에 세워 놓았을까요.

두 축을 읽는 법이 먼저입니다

가로축은 표면 온도입니다. 눈여겨볼 것은 방향입니다. 오른쪽으로 갈수록 온도가 낮아집니다. 별을 분광형 O B A F G K M 순서로 늘어놓던 관습을 그대로 가로축에 옮긴 탓입니다. 왼쪽이 뜨겁고 파란 별, 오른쪽이 차갑고 붉은 별입니다. 온도와 색이 어떻게 이어지는지는 별의 스펙트럼과 분광형에 자세히 있습니다.

세로축은 광도입니다. 별이 1초에 내놓는 에너지 전체를 태양의 것과 견준 값이라, 눈에 보이는 밝기가 아니라 별 자체의 밝기입니다. 위로 갈수록 밝고, 눈금 한 칸이 열 배씩 뜁니다. 위아래로 열 칸, 곧 백억 배를 담아야 하기 때문입니다.

대각선 한 줄 — 주계열

찍힌 점의 열에 아홉은 이 대각선 위에 있습니다. 이 무리를 주계열이라 하고, 여기 있는 별은 모두 중심에서 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합을 하고 있습니다. 태양도 이 줄 한가운데, 광도 1인 자리에 있습니다.

줄 위 어디에 서는지를 정하는 것은 질량 하나입니다. 무거운 별일수록 제 무게에 눌려 중심이 더 뜨겁고, 뜨거우면 핵융합이 훨씬 빨라 더 밝고 더 뜨겁게 빛납니다. 그래서 무거운 별은 왼쪽 위, 가벼운 별은 오른쪽 아래에 섭니다. 광도와 질량은 대략 이런 관계입니다.

질량이 두 배면 광도는 열 배가 넘습니다. 주계열이 줄로 보이는 것은 별들이 우연히 줄을 선 것이 아니라, 질량 순서로 늘어선 줄이기 때문입니다.

무거운 별이 먼저 죽습니다

여기서 뜻밖의 결론이 나옵니다. 태울 연료의 양은 질량에 비례하는데, 태우는 속도는 광도에 비례합니다. 그러니 주계열에 머무는 시간은 둘의 비입니다.

질량이 클수록 수명이 짧아집니다. 태양은 주계열에서 약 100억 년을 보내지만, 질량이 태양의 열 배인 별은 3천만 년 남짓이면 연료를 다 씁니다. 연료를 삼백 배 더 가지고도 삼만 배 빠르게 태우기 때문입니다.

줄 밖의 별들 — 거성과 백색 왜성

주계열을 벗어난 자리에도 무리가 있습니다. 그 자리가 무엇을 뜻하는지는 식 하나로 풀립니다. 별이 내놓는 에너지는 표면적에 표면 1 m²가 내놓는 양을 곱한 것입니다.

오른쪽 위의 별들은 표면 온도가 낮은데도 태양보다 수백, 수천 배 밝습니다. 온도가 낮으니 밝은 까닭은 반지름밖에 없습니다. 이들이 적색 거성과 초거성입니다.

왼쪽 아래는 반대입니다. 표면은 오히려 태양보다 뜨거운데 광도는 태양의 천분의 일입니다. 반지름이 아주 작다는 뜻이고, 실제로 이 백색 왜성들은 지구만 한 크기에 태양만 한 질량이 눌려 담긴 별입니다. H-R 도에서는 점의 자리만 보고도 별의 크기를 읽을 수 있습니다.

별의 일생이 그리는 길

별은 H-R 도 위의 한 점에 머무는 것이 아니라 일생 동안 자리를 옮깁니다. 성운에서 수축하던 원시별은 오른쪽에서 들어와 주계열에 자리를 잡고, 중심의 수소가 떨어질 때까지 그 자리를 지킵니다.

이것이 첫 물음의 답입니다. 별이 주계열에 몰려 보이는 것은 주계열성이 특별히 많이 태어나서가 아니라, 어느 별이든 일생의 대부분을 그 자리에서 보내기 때문입니다. 아무 때나 사진을 찍어도 대부분의 별이 그 시기에 걸립니다.

중심의 수소가 바닥나면 바깥층이 부풀어 오릅니다. 표면이 넓어지며 식으니 오른쪽으로, 전체 광도는 커지니 위로 — 별은 오른쪽 위 거성으로 올라갑니다. 태양 정도의 별은 부푼 바깥층을 날려 보내고 중심만 남아 왼쪽 아래 백색 왜성으로 내려앉고, 훨씬 무거운 별은 초신성으로 끝납니다. 그 마지막이 무엇을 남기는지는 별의 진화와 원소의 형성에 있습니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 네 무리의 자리 고르기. 주계열은 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 잇는 대각선, 거성은 오른쪽 위, 초거성은 맨 위 가로 띠, 백색 왜성은 왼쪽 아래입니다.
• 두 별의 반지름 비교. 광도가 같으면 온도가 낮은 쪽이 크고, 온도가 같으면 광도가 큰 쪽이 큽니다.
• 주계열성의 순서 매기기. 질량이 크면 광도·표면 온도·반지름이 다 크고, 수명만 짧습니다.
• 가로축의 방향. 온도 축이 왼쪽으로 갈수록 높다는 것을 잊으면 답이 통째로 뒤집힙니다.
• 주계열에 별이 많은 이유. "많이 태어나서" 가 아니라 "오래 머물러서" 입니다.

자주 헷갈리는 것

• "주계열은 별이 지나가는 길이다" — 아닙니다. 주계열은 지금 수소를 태우는 별들이 질량 순서로 늘어선 줄입니다. 별이 이 줄을 따라 미끄러져 내려가며 늙지 않습니다.
• "거성은 주계열성보다 무겁다" — 크기와 질량은 다릅니다. 태양도 나중에 적색 거성이 되며, 그때 질량은 지금보다 오히려 줄어 있습니다.
• "백색 왜성은 식어서 어둡다" — 표면 온도는 태양보다 높습니다. 어두운 이유는 지구만 한 크기, 곧 좁은 표면적입니다.
• "세로축의 광도는 밤하늘에서 보이는 밝기다" — 아닙니다. 거리를 지운 별 자체의 밝기입니다. 가까운 어두운 별이 먼 밝은 별보다 밝게 보일 수 있습니다.

정리합니다. H-R 도는 별을 표면 온도와 광도로 찍은 한 장의 그림이고, 별의 열에 아홉은 질량 순서로 늘어선 주계열 위에 놓입니다. 주계열을 벗어난 자리는 반지름을 말해 주어 오른쪽 위는 거성, 왼쪽 아래는 백색 왜성입니다. 별은 이 그림 위를 옮겨 다니며 늙고, 일생의 대부분을 주계열에서 보냅니다.