기본 콘텐츠로 건너뛰기

우주 이야기 42 - 제 2의 태양? 베텔게우스를 말한다.




 2011 년 초 초신성 폭발 가능성으로 갑자기 화제가 된 별이 있으니 바로 오늘 이야기할 베텔게우스 (베텔기우스, Betelgeuse) 이다. 이 별은 오리온 자리  α별로 밤하늘에서 9번째로 밝은 별이며 (천구에서는 10번째) 오리온 자리에서 2번째로 밝은 별이다. 따라서 베텔게우스에 대해서 사실 잘 모르시는 분이라도 한번 쯤은 육안으로 봤을 법한 별이다. (필자 역시 육안으로 그 광공해가 심한 서울에서 베텔게우스를 심심치 않게 관찰했다)



(오리온 자리 알파별이 (핑크색 화살표) 가 바로 베텔게우스이다. I, the copyright holder of this work, release this work into the public domain. This applies worldwide )



(흰색 화살표가 가리키는 붉은 별이 베텔게우스 이다. 오리온의 벨트 왼쪽 위쪽에  존재한다 This file is in the public domain because it was created by NASA and ESA )



 베텔게우스는 평균 절대 등급 -6.05, 실시등급 0.2 - 1.2 의 매우 밝은 별이다. 이 별이 특히 밝게 보이는 이유는 바로 임종을 얼마 남겨두지 않았기 때문이다. (그래서 밝기도 약간씩 변동이 있다) 베텔게우스는 적색 거성으로 (M2 lab)  지구에서의 거리는 약 640 광년이다 (643 ± 146) 임종을 앞둔 적색 거성 답게 거대하게 부풀어서 그 지름은 최대 태양의 1180 배까지 커지기도 하며 사방으로 많은 물질을 잃고 있지만 아직 그 질량은 태양의 18 - 19배에 달한다. 밝기는 태양의 최대 18만배에 달한다. 비록 균일하진 않지만 별의 표면온도는 3500 K 로 떨어진 상태이다. 별의 나이는 약 천만년 정도로 생각되며 이제 그 남은 수명은 얼마 되지 않는 것으로 판단된다.




(허블 우주 망원경이 관측한 베텔게우스. 이 사진은 1996년에 찍은 것으로 최초로 태양 이외의 항성에 대한 Direct image 를 얻은 것이다. 이는 물론 베텔게우스가 지구에 가까운 적색 거성이기 때문에 가능하다. 그때 까지 태양외의 다른 항성들은 그냥 점으로만 관측되었으나 최초로 이 사진에서 베텔게우스의 항성 표면이 균일하지 않다는 것을 알게되었다. 또 적외선 영상을 통해 베텔게우스 주변의 거대한 대기의 모습을 볼 수 있다. 가장 특이한 사실은 가운데 아래있는 밝은 점으로 주변부보다 2000K 높은 지점이다. 이를 통해 베텔게우스가 우리 태양보다 표면이 더 균일하지 않다는 사실을 알게되었다  This file is in thepublic domain because it was created by NASA and ESA.)


 베텔게우스는 지구에서 관측이 용이한 적색 거성이라는 점 때문에 천문학적으로도 여러가지 중요한 관측이 이루어진 별로써 1836년에 존 허셜 경 (Sir John Herschel ) 에 의해 처음으로 밝기에 변동이 있다는 사실이 알려졌다. 1920년에는 윌슨산의 2.5 미터 만원경을 이용해서 이 별의 크기가 측정되었는데 각지름 0.047" 이라는 결과가 나왔다. 여기서 부터 과학자들은 이 별이 크기가 대략  3억 8400만km 이며 (=2.58  AU) 별의 바깥쪽이 화성 궤도에 근접하는 정도의 거성임을 깨달았다. (비록 그 크기가 변동이 있지만 ) 베텔게우스는 인간이 최초로 크기를 잰 항성들 가운데 하나이다. 그리고 우리가 알고 있는 적색 거성에 대한 지식 중 많은 것이 이 별에서 나왔다.


 1980년대와 1990년 대에 새로운 관측 기술의 향상으로 베텔게우스의 표면 및 대기에 대한 관측이 이루어졌으며 위의 사진에서 설명한 남반구의 Hot spot 의 관측이 허블 우주 망원경을 통해 이루어졌다. 아마도 이 hot spot 은 베텔게우스의 극지방을 지구에서 직접 관측한 것으로 생각된다.


 21세기 초반의 관측에서 베텔게우스의 밝기와 크기는 여전히 흥미로운 관측 소재였다. Hipparcos  관측 위성에 의한 데이터는 이 별의 크기가 3.6 AU (1AU 는 지구에서 태양까지 거리 1.5 억 km) 에 달함을 보여주었다. 한편 VLT 가 있는 칠레의 paranal 관측소의 데이터들은 이 별의 정확한 크기에 대해서 많은 논란을 일으켰다고 한다. 노벨상 수상 물리학자 찰스 타운 (Charles Hard Towne : 1964년 노벨 물리학상) 은 2009년 윌슨산 천문대의 자료를 바탕으로 이 별이 93년 이후로 약 15% 정도 크기가 감소했다고 발표했다.


 아무튼 대략적으로 이 별은 지름은 5.5 AU 정로 생각 하지만 사실 측정의 오차범위는 매우 크다. 이렇게 크기 측정값의 오차 범위가 커서 거리 측정치도 오차 범위가 크다. 사실 앞서 이야기 했듯이 베텔게우스 자체가 최초로 크기가 측정된 별가운데 하나인데다 과학이 발달된 지금 시점에 가까이 있는 별의 크기를 재는 것이 어렵다는 것이 의외로 생각될 수 있을 것이다. 이별의 정확한 크기를 측정하기 어려운 이유는 다음과 같다. 


 1. 별 자체가 수축과 팽창을 반복한다. 따라서 본래 지름이 일정하지가 않다. 더구나 수축과 팽창도 비대칭이다.
 2. 별의 가장자리의 밝기가 어두워 정확히 어디까지 항성표면이고 어디부터는 대기인지 확실치 않다
 3. 이 별은 주변으로 많은 물질을 내뿜고 있고 이 물질들이 항성 주변에 있으면서 빛을 흡수하거나 방출한다
     (아마도 주변으로 거의 태양 질량 정도의 물질을 내뿜은 것으로 생각된다)
 4. 각지름 역시 측정하는 파장에 따라 차이가 난다.
 5. 주변의 두터운 항성 대기가 정밀한 관측을 방해한다.


(베텔게우스의 자외선 관측 사진. 여기서 특이한 점은 맥동 (pulsating) 이 좌우 상하 대칭이 아니라 수축과 팽창이 비대칭으로 이루어 지고 있다는 점이다  This file is in the public domain because it was created by NASA and ESA)


 크기에 대한 논란과는 별개로 이 별은 밝기가 변하는 특징을 가지고 있다. 몇년 주기의 밝기 변화는 19세기 허셜경이 처음 발견했던 것으로 오늘날 과학자들은 더 정밀하게 밝기 변화를 추적하고 있다. 이 별이 크기가 감소한 것과는 별개로 밝기는 일정한 변동을 계속하고 있다.


(베텔게우스의 밝기를 1988년 12월 부터 2002년 8월까지 관측한 것  CCL 에 따라 동일 조건하 복사 허용 변경 금지, 저자 표시   AAVSO Light Curve Generator (LCG): http://www.aavso.org/data/lcg/)



 이와 같은 여러가지 사실들은 베텔게우스 같은 적색 거성이 우리 옆에 없었다면 알기 어려웠던 사실이었을 것이다.

 한편 베텔게우스에는 또 다른 흥미로운 관측 거리가 있는데 바로 대기이다. 우리가 가장 쉽게 관측할 수 있는 항성의 대기는 물론 태양이다. 그러나 그 외의 항성의 대기는 거리 때문에 관측이 어려웠다.


 베텔게우스는 주변으로 많은 물질을 잃고 있어서 이기도 하겠지만 상당히 큰 항성 대기를 가지고 있다. 사실 항성 대기가 항성 자체보다도 훨씬 크다. 적어도 토성의 공전 궤도에서 해왕성 공전 궤도 범위까지 대기가 퍼져 있다고 생각된다.


(베텔게우스 주변의 대기 이미지. 대기라고 해도 주변에 균일하게 있는 것은 아니다.  Image of the supergiant star Betelgeuse obtained with the NACO adaptive optics instrument on ESO’s Very Large Telescope. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 : 저자 : ESO)



(전파 망원경으로 관측한 베텔게우스의 대기 - 토성의 공전 궤도 만한 크기이다. 여기서도 대기 분포 자체가 균일한게 아님을 알 수 있다 This file is in the public domain because it was created by NASA)


(베텔게우스가 방출하는 plume (가스의 구름) 의 모식도  This artist’s impression shows the supergiant star Betelgeuse as it was revealed thanks to different state-of-the-art techniques on ESO’s Very Large Telescope, which allowed two independent teams of astronomers to obtain the sharpest ever views of the supergiant star Betelgeuse.  CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시   저자  ESO )



 한가지 재미있는 것은 이 별이 너무 거대하게 부풀었기 때문에 사실 대기가 아니라 별 자체의 밀도가 지구의 대기보다도 옅다는 것이다. 앞서 이이기 했듯이 대략적인 질량이 태양의 20배가 안되는 별이 태양 부피의 10억배 정도로 부풀었다고 생각해보자. (지름이 1000배면 부피는 10억배) 그렇다면 이 별의 평균 밀도는 태양의 5천만분의 1 에 불과할 것이다. 심지어 해수면에서 지구 대기와 비교해서 거의 10만분의 1 이 좀 넘는 밀도다. 그래서 베텔게우스는 붉고 뜨거운 진공 (red hot vaccum) 이라는 별명으로 불리기도 한다. 사실 이런 점은 다른 적색 거성도 마찬가지 이겠지만 ...



 지금까지 이야기도 흥미롭긴 하지만 사실 최근 갑자기 베텔게우스가 각광을 받은 것은 초신성 폭발 가능성 때문이다. 베텔게우스의 질량은 아무리 작게 잡아도 태양의 10배 이상이며 철로 된 핵을 가질 때 까지 핵융합 반응을 지속할 것이다. 그리고 Type II 초신성으로 최후를 맞게 되는 것이 가장 가능성 있는 시나리오 이다.



(진화 단계 마지막의 항성의 구조 - 초신성 폭발 전까지 생기는 핵융합 반응으로 가장 무거운 철이 중심에 있고 그 위에 양파껍질 처럼 다른 원소들이 존재한다. CCL 에 따라 복사 허용, 동일 조건, 저자 표시  저자 : User:Rursus)


 이 초신성 폭발은 확실히 임박한 것이 사실이다. 다만 그게 내일이 될 지 아니면 수백년 후가 될지는 모르는 일이다. 천만년이라는 비교적 짧은 (?) 베텔게우스의 수명을 고려해보면 1000년 후에 폭발해도 곧 임종을 눈앞에 둔 것이나 다를 바 없기 때문이다. 어쩌면 이미 폭발했고 그 빛이 지구를 향해 달려 오는지도 모르지만 그래도 최대 수백년의 시간적 여유가 있을 수 있다.


 아무튼 폭발하게 되면 근래에 육안으로 가장 잘 관측할 수 있는 초신성 폭발이 될 것이다. 그렇다면 이제 가장 궁금해할 질문에 대해 이야기 할 때가 되었다. 이 초신성 폭발이 지구에 피해를 줄 수 있을까 ?


 일단 다행히도 지금까지 예상은 그렇지 않다는 것이다. 폭발시 발생하는 자외선은 물론 아주 크지만 수백 광년에 걸쳐 확산되기 때문에 지구에 닿는 양은 사실 태양이 지구에 방사하는 자외선보다 작을 것이다. 한가지 문제가 될 수 있는 점은 바로 자전축에서 나오는 강력한 감마 레이 버스트 (Gamma ray burst) 이다. 별이 초신성 폭발을 일으키고 난 이후 남게 되는 블랙홀 이나 중성자 성의 자전 축에서는 강력한 감마선이 나오게 된다.


(초신성이 블랙홀로 붕괴되면서 자전축에서 강력한 제트가 분출되는 상상도  
The copyright holder of this file, National Science Foundation, allows anyone to use it for any purpose, provided that the copyright holder is properly attributed. Redistribution, derivative work, commercial use, and all other use is permitted.
Attribution: National Science Foundation
)


 사실 1000파섹 (약 3262 광년) 이내에서 발생하는 강력한 감마 레이 버스트는 지구 오존층에 심각해 피해를 줄 수 있을 것으로 생각되며 대규모 멸종을 유발 할 수 있다는 의견이 있다. 일부에서는 오르도비스기 - 실루리안기 대멸종 사건의 원인이 감마 레이 버스트라고 생각하기도 한다. 그러나 이 주장의 문제점은 그 때 하필이면 감마 레이 버스트가 지구를 강타했다는 증거가 없다 - 사실 증거가 남을 수도 없다 - 는 것이다.


 아무튼 이러한 이유로 감마 레이 버스트가 지구 생태계를 위협하지 않을지 걱정하는 의견이 있으나 잠시 여기서 다시 위의 베텔게우스의 허블 우주 망원경 이미지를 보자. 베텔게우스의 자전축은 지구 방향이 아니라 그보다 더 남쪽을 향하고 있다. 따라서 베텔게우스 초신성은 충분한 양의 감마 레이를 지구를 향해 발사하지는 않을 것으로 생각된다. 또 별의 질량 자체가 강력한 감마레이 버스트를 일으키기에는 약간 작은 것으로 생각된다.  

 만약 실제 폭발한다면 베텔게우스는 2주간 - 12 등급으로 천구에서 태양 다음으로 밝은 별이 될 것이다. 그리고 수개월에 걸쳐 어두워질 것이다. 질량을 고려할 때 아마도 폭발 후에 남게 되는 것은 펄서 형태의 중성자별이 될 것으로 생각된다.


(초신성 폭발과 감마 레이 버스트  다행히 지구쪽으로 강력한 감마레이 버스트를 발사하지는 않을 것으로 보인다 This file is in the public domain because it was created by NASA )


 이 폭발 가능성에 천문학자들이 주목하는 건 당연하다. 지구에서 아주 관측하기 좋은 위치에서 초신성 폭발이 일어나기 때문이다. 따라서 이 폭발은 천문학자들에게 중요한 정보를 제공할 것이다. 다만 지구에서 볼 때 태양이 2개 뜬 것 같은 착각을 불러일으키지 않을 것인데 왜냐하면 보름달 보다 밝을 수는 있지만 태양에 근접하게 밝지는 않을 것이기 때문이다.


 솔직히 필자는 여기에 대해서 양가 감정이 있는데 이 별이 폭발하면 오랜 세월 사랑 받아온 오리온 자리는 장차 어떻게 (?) 되는 것인지 걱정이긴 하지만 살아있는 동안 육안으로 초신성 폭발을 볼 흔치 않은 기회라는 생각이 들기 때문이다. 어찌 될 진 모르지만 만약 실제 폭발한다면 일생에 한번 이상 볼 수 없는 장엄한 우주 쇼가 될 것이다.



          NASA/ESA

댓글

이 블로그의 인기 게시물

통계 공부는 어떻게 하는 것이 좋을까?

 사실 저도 통계 전문가가 아니기 때문에 이런 주제로 글을 쓰기가 다소 애매하지만, 그래도 누군가에게 도움이 될 수 있다고 생각해서 글을 올려봅니다. 통계학, 특히 수학적인 의미에서의 통계학을 공부하게 되는 계기는 사람마다 다르긴 하겠지만, 아마도 비교적 흔하고 난감한 경우는 논문을 써야 하는 경우일 것입니다. 오늘날의 학문적 연구는 집단간 혹은 방법간의 차이가 있다는 것을 객관적으로 보여줘야 하는데, 그려면 불가피하게 통계적인 방법을 쓸 수 밖에 없게 됩니다. 이런 이유로 분야와 주제에 따라서는 아닌 경우도 있겠지만, 상당수 논문에서는 통계학이 들어가게 됩니다.   문제는 데이터를 처리하고 분석하는 방법을 익히는 데도 상당한 시간과 노력이 필요하다는 점입니다. 물론 대부분의 학과에서 통계 수업이 들어가기는 하지만, 그것만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 대학 학부 과정에서는 대부분 논문 제출이 필요없거나 필요하다고 해도 그렇게 높은 수준을 요구하지 않지만, 대학원 이상 과정에서는 SCI/SCIE 급 논문이 필요하게 되어 처음 논문을 작성하는 입장에서는 상당히 부담되는 상황에 놓이게 됩니다.  그리고 이후 논문을 계속해서 쓰게 될 경우 통계 문제는 항상 나를 따라다니면서 괴롭히게 될 것입니다.  사정이 이렇다보니 간혹 통계 공부를 어떻게 하는 것이 좋겠냐는 질문이 들어옵니다. 사실 저는 통계 전문가라고 하기에는 실력은 모자라지만, 대신 앞서서 삽질을 한 경험이 있기 때문에 몇 가지 조언을 해줄 수 있을 것 같습니다.  1. 입문자를 위한 책을 추천해달라  사실 예습을 위해서 미리 공부하는 것은 추천하지 않습니다. 기본적인 통계는 학과별로 다르지 않더라도 주로 쓰는 분석방법은 분야별로 상당한 차이가 있을 수 있어 결국은 자신이 주로 하는 부분을 잘 해야 하기 때문입니다. 그러기 위해서는 학과 커리큘럼에 들어있는 통계 수업을 듣는 것이 더 유리합니다. 잘 쓰지도 않을 방법을 열심히 공부하는 것은 아무래도 효율

R 스튜디오 설치 및 업데이트

 R을 설치한 후 기본으로 제공되는 R 콘솔창에서 코드를 입력해 작업을 수행할 수도 있지만, 보통은 그렇게 하기 보다는 가장 널리 사용되는 R 개발환경인 R 스튜디오가 널리 사용됩니다. 오픈 소스 무료 버전의 R 스튜디오는 누구나 설치가 가능하며 편리한 작업 환경을 제공하기 때문에 R을 위한 IDE에서 가장 널리 사용되어 있습니다. 아래 링크에서 다운로드 받습니다.    https://www.rstudio.com/  다운로드 R 이나 혹은 Powerful IDE for R로 들어가 일반 사용자 버전을 받습니다. 오픈 소스 버전과 상업용 버전, 그리고 데스크탑 버전과 서버 버전이 있는데, 일반적으로는 오픈 소스 버전에 데스크탑 버전을 다운로드 받습니다. 상업 버전의 경우 데스크탑 버전의 경우 년간 995달러, 서버 버전은 9995달러를 받고 여러 가지 기술 지원 및 자문을 해주는 기능이 있습니다.   데스크탑 버전을 설치하는 과정은 매우 쉽기 때문에 별도의 설명이 필요하지 않을 것 같습니다. 인스톨은 윈도우, 맥, 리눅스 (우분투/페도라)에 따라 설치 파일이 나뉘지만 설치가 어렵지는 않을 것입니다. 한 가지 주의할 점이라면 R은 사전에 반드시 따로 설치해야 한다는 점입니다. R 스튜디오만 단독 설치하면 아무것도 할 수 없습니다. 뭐 당연한 이야기죠.   설치된 R 스튜디오는 자동으로 업데이틀 체크하지 않습니다. 따라서 업데이트를 위해서는 R 스튜디오에서 Help 로 들어가 업데이트를 확인해야 합니다.     만약 업데이트 할 내용이 없다면 최신 버전이라고 알려줄 것이고 업데이트가 있다면 업데이트를 진행할 수 있도록 도와주게 됩니다. R의 업데이트와 R 스튜디오의 업데이트는 모두 개별적이며 앞서 설명했듯이 R 업데이트는 사실 기존 버전과 병행해서 새로운 버전을 새롭게 설치하는 것입니다. R 스튜디오는 실제로 업데이트가 이뤄지기 때문에 구버전을 지워줄 필요는

R 패키지 설치 및 업데이트 오류 (1)

 R 패키지를 설치하거나 업데이트 하다보면 여러 가지 문제가 생기는 경우들이 있습니다. 이 경우 아예 R을 재설치하는 것도 방법이지만, 어떤 경우에는 이렇게해도 해결이 안되고 계속해서 사용자는 괴롭히는 경우도 있습니다. 이런 경우 중 하나를 소개합니다.  새로운 패키지를 설치, 혹은 업데이트 하는 과정에서 같이 설치하는 패키지 중 하나가 설치가 되지 않는다는 메세지가 계속 나왔는데, 사실은 백신 프로그램 때문이었던 경우입니다.   dplyr 패키지를 업데이트 하려고 했는데, 제대로 되지 않아 다시 설치를 진행했습니다. 그런데 일부 패키지가 제대로 설치되지 않는다는 메세지가 나왔습니다.  > install.packages("dplyr") Error in install.packages : Updating loaded packages > install.packages("dplyr") Installing package into ‘C:/Users/jjy05_000/Documents/R/win-library/3.4’ (as ‘lib’ is unspecified) also installing the dependencies ‘bindr’, ‘bindrcpp’, ‘Rcpp’, ‘rlang’, ‘plogr’ trying URL ' https://cran.rstudio.com/bin/windows/contrib/3.4/bindr_0.1.1.zip ' Content type 'application/zip' length 15285 bytes (14 KB) downloaded 14 KB trying URL ' https://cran.rstudio.com/bin/windows/contrib/3.4/bindrcpp_0.2.2.zip ' Content type 'application/zip' length 620344 b