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* M: 금속 함량에 따라 이 범위 내여도 적색왜성일 수 있다. | |||
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| 아래부터 지구, 목성, 갈색왜성, 적색왜성, 그리고 태양이다. |
| 갈색왜성에 대한 설명(0:18~1:26) |
1. 개요
褐色矮星 / Brown Dwarf갈색왜성은 태양의 1.2~7.5% 목성 질량의 12.8 ~ 79배[1] 질량을 가진, 별이 되는 데에 실패한 준(準)항성이다.
2. 특징
경수소를 태우지 못하는 일련의 별은 항성이 아니다. 따라서 갈색왜성은 항성이 아닌 뜨거운 천체에 해당된다. 그러나 갈색왜성 역시 핵융합을 하는 천체이기 때문에 행성이 아니므로 모항성을 공전하고 있다면 쌍성계에 속한다.목성형 행성보다는 크나, 결국 항성의 최소 단위인 적색왜성까지는 성장하지 못한 상태인 갈색왜성들은 그 질량이 매우 가볍기에 핵에서 연속적인 수소 핵융합 반응을 일으키지 못하고 중수소나 리튬만을 매우 느리게 태우며[2] 이 때문에 갈색왜성이 발산하는 에너지는 진짜 별인 주계열성들에 비하면 상당히 가냘픈 편이다.
이들 대부분은 행성처럼 모항성을 공전하는 경우가 많다.[3] 목성 질량의 13배 이하인 천체는 준갈색왜성이라고 부르는데, 일부 학자들은 그저 크기가 큰 행성으로 보기도 한다. 갈색왜성은 표면온도가 낮아 보통 적외선 영역을 위주로 빛을 발산하므로 적외선 영역으로 관측하며, 표면온도가 낮기 때문에 광도는 매우 어두워 고성능 망원경으로만 관측이 가능하다.
더 무거운 천체인 적색왜성들과 마찬가지로, 갈색왜성들 또한 전체적으로 대류층으로만 구성되어 내부와 외부의 화학 조성이 동일하다는 특징을 지닌다. 따라서 표면의 원소 스펙트럼을 분석하면 중수소, 리튬, 붕소 등 갈색왜성에 남은 연료의 양을 추정할 수 있다.
3. 단계
3.1. 갈색왜성
중심부에서 중수소와 리튬의 핵융합을 안정적으로 하는 단계이다.3.2. 핵융합 중단
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주계열성과는 달리 갈색왜성은 질량이 작아서 중심핵에서 일반적인 경수소를 헬륨으로 핵융합할 수 없다. 그러나 갈색왜성의 질량이 목성의 13배가 넘으면 중수소를, 65배가 넘어가면 리튬을 핵융합할 수 있다고 여겨진다.
이런 핵융합은 보통 몇 십만년에서 몇 백만년 동안 지속되며, 핵융합이 중단되면 더 이상 내부 에너지원이 존재하지 않기 때문에 점차 식어가며 흑색왜성으로 변하게 된다.
3.3. 핵융합 중단 이후
4. 종류
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| 갈색왜성은 주로 L, T, Y 3개의 분광형으로 분류된다. |
4.1. L형
4.2. T형
4.3. Y형
4.4. 차가운 M형
추가로 차가운 M형(Late-M dwarf)라 하여 M형 분광형 뒤쪽에 붙어있는 갈색왜성들도 있다.[4]이러한 별들은 태어나지 얼마 되지 않아 수축하는 수축열로 인해 뜨겁다. 덕분에 갈색왜성들 중 태어나지 얼마 되지 않은 별들은 분광형 M을 나타내며 질량에 따라 온도도 다른데, 큰 질량은 수축열도 크므로 분광형 M5까지도 나타나며 작은 질량은 수축열도 작아 M8을 나타낸다.
이후 핵융합을 중단하면서 점점 식어 M9을 거쳐 L형으로 내려가게 된다.[5]
하지만 모든 L형이 갈색왜성은 아니다. 초거성 중 차가운 별들은 M9를 거쳐 L로 내려가기도 한다. 외뿔소자리 V838이 대표적인 경우다.
또한 갈색왜성과 종이 한 장 차이의 질량으로 항성이 된 매우 가벼운 항성들도 L형 분광형을 가지는 경우가 있는데 2MASS J0523-1403이 그러한 경우 중 하나로, L2.5V의 분광형을 가진다.
5. 밀도
갈색왜성은 질량이 커질수록 밀도가 커진다. 수소 핵융합을 못하기 때문에 핵융합으로 인한 확장력이 작다. 즉 리튬과 중수소를 태우는 정도로는 내부의 확장력이 작다는 뜻. 예를 들어 13MJ[목성질량]의 갈색왜성의 지름은 보통 목성의 2배이지만 40MJ가 넘어가면 반지름은 1.4배로 줄어든다. 질량이 70MJ를 넘어가면 반지름은 1.1배로 줄어든다.[math(\displaystyle\rho=\frac{m}{V} \approx \frac{m}{R^3} = \frac{70M_J}{(1.1R_J)^3} = \frac{70}{1.331}\rho_J)]
[math(\rho)]: 갈색왜성의 밀도
[math(M)]: 갈색왜성의 질량
[math(R)]: 갈색왜성의 반지름
[math(\rho_J)]: 목성의 밀도 (≈ 1.33 g/cm3)
[math(M_J)]: 목성질량 (≈ 1.8986×10^27 kg)
[math(R_J)]: 목성반지름 (≈ 71,492 km)
위 식에서 목성의 밀도는 1.33이므로, 70MJ를 가진 갈색왜성의 평균 밀도는 약 70이나 된다.
이렇게 밀도가 높은 이유는 갈색왜성의 질량에 비해 핵융합에 의한 팽창력이 매우 약하기 때문이다.[7]
하지만 이것도 내부에 연료가 있을 때의 이야기이다. 갈색왜성은 질량이 13MJ가 넘으면 중수소와 헬륨-3를 태울 수 있고 65MJ를 넘으면 리튬, 70MJ를 넘으면 붕소와 베릴륨을 태워 헬륨-4로 만들 수 있다. 하지만 이런 소량의 연료가 고갈되면 갈색왜성은 덩치가 더 줄어 더 이상 압축되지 않을 때까지 줄어들게 된다.
대략 13MJ의 갈색왜성은 목성 지름의 1.5배까지, 40MJ의 갈색왜성은 목성 지름의 94%까지 줄어 오히려 더 작아진다. 70MJ를 가진 갈색왜성은 지름이 10만km까지 줄어드는데 이는 목성의 70% 수준이다. 따라서 연료가 고갈된 70MJ 갈색왜성의 밀도는 260까지 높아진다는 뜻이 된다. 하지만 갈색왜성은 질량이 작기 때문에 내부 중심 밀도나 평균 밀도가 그렇게 많이 차이나지는 않는다. 연료가 고갈된 최대 질량 갈색왜성의 내부 밀도는 950을 넘지 않기 때문에 평균 밀도와 최고 중심부의 밀도가 3.7배가 채 되지 않는다.
6. 기타
- 우리 은하의 주계열성은 약 2천억개 정도가 존재하는데, 현대 초기질량함수 이론은 그 중 약 74%가 적색왜성으로 추정하고 있다. 그런데, 갈색왜성의 수는 적색왜성의 수를 넘어서 주계열성의 수와 비슷할 것으로 추정하고 있다. 하지만, 크기가 작고 광도가 어둡기 때문에 발견하기 힘들어 현재까지 확인된 갈색왜성의 수는 2015년 12월 기준으로 2,850개에 불과하다.
- 지구 멸망 시나리오 중, 태양의 쌍성인 갈색왜성 때문에 오르트 구름에서 혜성 샤워가 쏟아져서 주기적인 대멸종을 일으킨다는 네메시스 가설이 제시되었으나 위성 탐사 결과 해왕성 궤도 외부에 목성 질량 이상의 천체가 없는 걸로 확인되어서 논파되었다.
- 미래에 우주의 중원소 함량이 충분히 높아지면 중원소가 단열재 역할을 하여 핵이 식지 않도록 만들어 태양 질량의 4% 이상인 갈색왜성들도 수소 핵융합을 할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 이런 천체들은 핵융합으로 내놓는 열이 매우 적기 때문에 표면 온도가 0℃에 불과할 것으로 예측되며, 갈색왜성과 구분하기 힘들 것이다. 자세한 내용은 얼어붙은 별 문서 참조.
- 갈색왜성끼리 서로 충돌하거나, 성간 가스를 오랜 세월에 걸쳐 축적하거나, 적색거성 동반성으로부터 질량을 흡수하여 태양 질량의 7~9%를 넘게 되면 수소 핵융합을 성공하여 결국 항성이 될 것으로 예상된다.
- 목성보다 20배 이상 무거운 갈색왜성은 적색거성에 흡수되어도 중심핵과 충돌하지 않는 한 소멸하지 않는다. 이후 적색거성이 행성상 성운을 거쳐 백색왜성이 되면 갈색왜성은 다시 풀려난다.
- 갈색왜성을 모항성으로 삼는 행성의 생명체 거주가능성도 연구가 되었으나 적색 왜성보다 생명체의 탄생과 번식에 더 불리하다. 핵융합을 거의 못하는 특성상 골디락스 존이 극단적으로 좁아지게 되는데다가(T형 갈색왜성을 기준으로 하면 겨우 0.005AU[8]에 불과하다) 오랫동안 핵융합을 지속하는 적색왜성과 달리[9] 겨우 1천만년만 핵융합이 지속되기 때문에 매우 불리하다. 여기에 모항성에 이렇게 가깝게 있으면 조석력의 영향을 받아 온실효과가 심해지기 때문에 궤도 이심률도 커야 하며 위성이 있어서는 안 된다. 적색 왜성이 모성인 게 더 유리할 지경이다. 다만 가까운 공전 궤도는 조석력으로 인한 지열을 발생시키므로 목성의 위성 유로파처럼 행성의 얼음 표면 아래에 바다를 생성하여 생명의 존재 가능성이 발생할 수 있다.
- 인지도가 낮아 창작물에서는 거의 등장하지 않는 천체이다. 이보다 무겁거나 가벼운 적색왜성과 목성형 행성의 경우 간혹 다뤄지기도 하지만 갈색왜성이 주 무대이거나 항성계 내 주요 천체로 다루는 작품은 거의 없다. 매체에서 몇 안되는 갈색왜성을 다룬 사례로, SF배경의 비디오 게임 헤일로 시리즈에는 가스행성에 적 함대를 유인한 뒤 그곳에 핵탄두를 쏘아 가스행성을 갈색왜성으로 탈바꿈시켜 천체의 막대한 영향력을 이용해 동귀어진하는 전술을 구사한 프레스턴 콜이란 인물이 있다. [10]
[1] 질량 상한선은 중원소 함량에 따라 70 ~ 90배(태양 질량의 7~9%)까지 변동 가능하다.[2] 목성 질량의 13배부터 중수소를 태울 수 있고, 65배 이상이면 리튬도 태울 수 있다.[3] 그러나 갈색왜성은 엄연히 핵융합이 가능한 천체이기 때문에 모항성을 공전할 경우 쌍성계로 분류된다.[4] 2M1207 등이 있다.[5] 분광형은 별의 여부보다는 색으로 결정하는 것이다.[목성질량] [7] 제대로 된 수소 핵융합을 함에도 불구하고 목성보다 크기가 작은 항성도 있다. 2016년에 발견된 '2MASS-J0523-1403'와 2017년에 발견된 'EBLM J0555-57Ab'는 모두 초저질량 항성인데, 각각의 질량은 0.068, 0.085 태양질량, 분광형은 L2.5V, 불명이고, 반지름이 약 6만 km밖에 되지 않는다. 2MASS-J0523-1403의 밀도는 141.77 g/cm3인데, 그 밀도가 금 밀도의 약 7.35배, 오스뮴 밀도의 약 6.28배에 달한다.[8] 750,000km 즉 달과 지구 거리의 겨우 두 배 수준이다.[9] 수명도 아무리 적어도 800억년은 된다. 많으면 17조년.[10] 갈색왜성은 온도가 상당히 낮기 때문에 단순히 근거리에서 생성된 갈색왜성의 복사열로 선체를 녹였다고 보긴 어렵고, 인위적인 탄생 직후의 막대한 에너지가 영향을 줬다는 픽션의 과장이 들어갔거나 중성자탄처럼 방사선에 의한 승무원들의 급사를 유도한 것으로 보인다.