별의 색깔이 제각각인 이유에는 어떤 과학이 숨어 있을까?

 공기가 맑은 시골이나 산속에서 밤하늘을 올려다보면 수많은 별들이 보석처럼 빛나는 것을 볼 수 있습니다. 그런데 별들을 자세히 관찰해보면 빛의 색깔이 모두 같지 않다는 것을 알 수 있는데요. 어떤 별은 차가운 느낌의 푸른색이고 뜨거운 태양은 주황색 또는 노란색이며, 오리온 자리의 별은 또 붉은색으로 보이기도 합니다.

과연 우주 공간의 별의 색깔이 제각각인 이유는 무엇일까요? 혹시 별을 이루고 있는 화학성분이 달라서 일까요? 그러나 별의 색깔을 결정짓는 가장 중요한 요소는 바로 별이 얼마나 뜨거운지를 나타내는 표면 온도에 있습니다. 오늘은 지구과학 시간에 등장하는 별의 색깔과 표면 온도의 관계, 그리고 이를 증명하는 흑체 복사 스펙트럼의 원리에 대해 설명해드리겠습니다.

별의 색깔을 결정하는 표면 온도

우주에 떠 있는 스스로 빛을 내는 별은 거대한 가스 구멍덩어리 안에서 엄청난 핵융합 반응을 일으키면 빛과 열을 뿜어냅니다. 많은 사람들이 별의 색깔이 다르면 별을 구성하는 가스의 성분이 다를 것으로 생각하지만 우주의 별들은 대부분 수소와 헬륨이라는 비슷한 성분으로 구성되어 있습니다.

성분이 비슷한데 왜 색깔은 다를까요? 그것은 바로 별의 껍질 부분인 표면 온도가 제각각이기 때문인데요. 표면 온도가 높은 별일수록 에너지가 강한 푸른 빛을 내고 표면 온도가 상대적으로 낮은 별일수록 에너지가 약한 붉은빛을 방출하기 때문이에요.

온도를 눈으로 보는 방법

온도가 높을수록 푸른색이 되고 낮을수록 붉은색이 된다는 사실이 일상적인 감각과는 반대라서 체감이 되지 않을 수 있습니다. 하지만 우리 주변에서 발생하는 현상을 좀 더 깊게 바라보면 알 수 있습니다.

부엌의 가스레인지 불꽃

집에 있는 가스레인지 불을 켜보세요. 정상적으로 불이 잘 붙어 가장 온도가 높고 뜨거운 안쪽은 푸른색을 띱니다. 반면 가스가 불완전 연소하여 온도가 상대적으로 낮은 불꽃의 바깥쪽은 붉은색과 노란색으로 보입니다. 즉 진짜 뜨거운 불은 파란색입니다.

대장간에서 달궈지는 쇳덩이

대장장이가 칼을 만들거나 쇠를 다룰 때 시커먼 쇳덩이를 뜨거운 화로에 넣은 모습을 상상해보세요. 처음 열을 받은 쇳덩이는 붉은색으로 달아오릅니다. 하지만 풀무질을 하여 온도를 올리게 되면 쇳덩이는 주황생, 노란색을 거쳐 눈부신 흰색이나 푸른색으로 변하게 됩니다. 우주의 별 역시 이와 같은 원리로 색이 변하게 됩니다.

흑체 복사와 빈의 변위 법칙

그렇다면 왜 물체의 온도가 올라가면 붉은색에서 푸른색으로 빛의 색깔이 변하는 것일까요? 천문학자들과 물리학자들은 이를 설명하기 위해서 흑체라는 개념을 사용하였습니다.

흑체 복사

흑체란 외부에서 주어지는 모든 빛을 100% 흡수하였다가 오직 자신의 온도에 의해서만 에너지를 빛으로 다시 내뿜는 가상의 물체입니다. 우주의 별들은 흑체와 유사한 성질을 가지고 있는데요. 흑체가 온도를 가지게 되어 스스로 빛은 뿜어내는 현상을 흑체 복사라 합니다.

빈의 변위 법칙

독일의 물리학자 빌헬름 빈은 흑체가 뿜어내는 빛을 연구하다가 위대한 법칙을 발견합니다. 빛은 색깔마다 고유한 파장의 길이를 가지는데 에너지가 약한 붉은색은 파장이 길고 에너지가 강한 푸른색은 파장이 짧습니다.

빈의 법칙에 따라서 흑체의 표면 온도가 높을수록 가장 강하게 뿜어내는 빛의 파장이 짧아진다고 합니다.

• 온도가 낮을 때: 파장이 긴 붉은색 빛을 가장 많이 뿜어내어 별이 붉게 보입니다.
• 온도가 극도로 높을 때: 파장이 짧은 푸른색 빛을 가장 많이 뿜어내어 별이 푸르게 보입니다.

이처럼 별의 표면 온도와 방출하는 빛의 파장이 반비례한다는 것이 바로 빈의 변위 법칙의 핵심입니다.

별의 색깔에 따른 표면 온도 등급

천문학자들은 이 원리를 이용하여 별의 표면 온도와 색깔을 기준 삼아 별들을 O, B, A, F, G, K, M 이라는 7가지 주요 분광형 등급으로 분류했습니다.

1. 푸른색 별 (O, B): 표면온도가 10000 ~ 30000도 이상인 우주에서 가장 뜨겁고 젊은 별들입니다. (오리온자리의 리겔)
2. 흰색 별 (A, F):  표면온도가 7000 ~ 10000도 사이입니다. (시리우스)
3. 노란색 별 (G): 표면온도가 5000 ~ 6000도 사이인 별입니다. 우리가 매일 보는 태양이 이곳에 속합니다.
4. 붉은색 별 (K, M): 표면온도가 3000 ~ 4000 이하로 식어가는 늙은 별이거나 질량이 아주 작은 별들입니다. (전갈자리의 아타레스 오리온자리의 베텔게우스)

인간은 수백 수천 광년 떨어진 우주의 별에 직접 온도계를 꽂아보지 못했습니다. 하지만 천문학자들이 별이 우리에세 보내오는 빛의 색깔을 이용해 별의 온도를 계산해내었는데요. 이렇게 밤하늘의 별의 색깔이 제각각인 이유를 알게되어 보는 재미가 더 생기지 않았을까요?