태양의 일생과 적색거성, 실제태양의 색깔

태양은 태양계의 중심에 있으며 지구에서 가장 가까운 항성입니다. 지름이 약 140만 킬로미터에 달하는 태양은 중심부에서 핵융합 반응을 겪고 있는 대부분의 수소와 헬륨으로 구성된 거대한 천체입니다. 별이 수명을 다하면 폭발하듯이 태양도 자기만의 일생을 가지며 그 과정에는 적색거성이라는 단계가 포함되어 있습니다. 그리고 산란으로 인해 태양의 색이 다르게 보인다는 점을 이 글을 통해 잘 알게 되실 겁니다.

붉은 색으로 빛을 내는 태양

 

태양의 일생

현재의 과학적 이해에 따르면, 우리와 가장 가까운 별인 태양은 약 45억 6,700만 년 전에 생명을 시작했습니다. 이 별은 거대한 수소 분자 구름의 중력 붕괴로 인해 발생했으며, 약 45억 3200만 년 전, 태양은 주계열 단계에 진입하여 핵에서 양성자-양성자 연쇄 반응을 일으켰습니다. 이는 수소가 헬륨으로 꾸준히 융합되어 태양의 복사 에너지 출력에 연료를 공급하는 중간 주계열 단계입니다. 주계열 단계 전반에 걸쳐 태양은 매초 약 400만 톤의 질량을 꾸준히 에너지로 변환합니다. 주계열에서 약 109억 년의 추정 수명 동안 태양은 지구 질량의 100배에 해당하는 질량을 에너지로 변환하여 빛나는 존재를 유지할 것으로 예상됩니다. 그러나 태양은 수명주기를 거치면서 결국 핵의 수소 연료를 모두 소모하게 됩니다. 지금으로부터 약 64억 년 후에 태양은 준거성 단계로 전환되고, 앞으로 약 71억 년 후에는 적색거성 단계로 전환됩니다. 적색거성 단계 동안 태양은 극적으로 부풀어올라 확장된 외층에서 지구를 포함한 내부 행성을 삼킬 가능성이 있습니다. 지구의 정확한 운명은 태양에 휩싸이는 것부터 생존하지만 극단적인 환경 변화에 직면하는 것까지 다양한 시나리오를 제안하는 다양한 이론으로 인해 여전히 불확실합니다. 태양이 적색거성으로 진화함에 따라 태양의 외층은 우주로 방출되어 행성상 성운을 형성하고, 핵은 수축하여 결국에는 밀도가 높고 냉각된 이전 태양의 잔해인 백색왜성이 됩니다. 수십억 년에 걸쳐 백색왜성은 점차 희미해지며, 한때 찬란했던 빛이 어두워지면서 우주의 모호함으로 식어가며 항성 여행의 끝을 알립니다. 

 

태양의 적색거성

태양은 중심부의 수소 연료를 모두 소모하고 항성 진화를 진행하면서 결국 적색거성으로 변하게 됩니다. 이러한 변화는 지금으로부터 약 71억년 후에 일어날 것으로 예상되며, 이는 태양의 수명 주기에 중요한 이정표를 세우는 일이 될 것입니다. 적색거성 단계 동안 태양은 엄청난 변화를 겪게 됩니다. 확장: 태양은 현재 크기의 몇 배로 팽창하여 지구를 포함한 내부 행성의 궤도를 넘어서는 크기에 도달할 수 있습니다. 이러한 팽창은 핵의 수소 고갈로 인해 발생하며, 이로 인해 핵융합 반응으로 생성되는 외부 압력이 감소합니다. 광도 증가: 적색거성 단계 동안 태양의 표면 온도가 감소하더라도 전체적인 광도는 극적으로 증가합니다. 결과적으로 태양은 현재 상태보다 훨씬 더 밝게 빛날 것이며 태양계 전체에 더 따뜻하고 더 강렬한 빛을 비출 것입니다. 외층 확장: 태양의 외층은 불안정해지고 우주 바깥으로 확장됩니다. 이러한 팽창은 태양을 둘러싸는 가스와 플라즈마로 이루어진 얇은 막의 형성으로 이어질 것이며, 이는 결국 우주로 방출되어 행성상 성운을 형성하게 될 것입니다. 헬륨 핵융합: 적색 거성의 중심에서 헬륨 핵융합 반응이 시작됩니다. 높은 온도와 압력으로 인해 헬륨 핵이 탄소나 산소와 같은 더 무거운 원소로 융합될 수 있습니다. 행성 성운 형성: 적색 거성이 외부 층을 벗겨내면서 이온화된 가스로 이루어진 빛나는 껍질이 중심 핵 주위에 형성됩니다. 행성상 성운으로 알려진 이 껍질은 우주 바깥쪽으로 확장되어 성운 구조를 만들어 결국 성간 물질로 흩어지게 됩니다. 백색 왜성의 형성: 결국 적색 거성의 외부 층은 사라지게 되고 백색 왜성으로 알려진 뜨겁고 밀도가 높은 핵만 남게 됩니다. 이 남은 핵은 수십억 년에 걸쳐 점차 냉각되면서 계속해서 열과 빛을 방출하고 결국 우주의 어둠 속으로 사라질 것입니다. 태양이 적색 거성으로 변하는 것은 태양계에 깊은 영향을 미치며 잠재적으로 지구를 포함한 행성의 궤도와 상태를 변화시킬 것입니다. 이 단계 동안 지구의 정확한 운명은 여전히 ​​불확실하지만, 적색거성 단계가 태양 진화의 중요한 장을 표시하고 앞으로 수십억 년 동안 태양계의 운명을 형성할 것이라는 점은 분명합니다.

 

태양은 주황색이 아니다

태양은 주로 핵융합 반응을 겪는 수소와 헬륨으로 구성된 뜨겁고 빛나는 플라즈마의 거대한 구체입니다. 이러한 반응은 빛과 열로 나타나는 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 이 햇빛이 지구에 도달하면 지구의 대기와 만나게 되는데, 대기는 햇빛의 색상을 필터링하고 수정하는 역할을 합니다. 여기서 일어나는 주요 현상 중 하나는 레일리 산란(Rayleigh Scattering)입니다. 이 산란을 처음 설명한 영국 과학자 레일리 경(Lord Rayleigh)의 이름을 딴 것으로 레일리 산란은 햇빛이 대기의 분자 및 입자와 상호 작용할 때 발생합니다. 이제 레일리 산란이 지구에서 관찰되는 태양의 색에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 짧은 파장의 산란: 햇빛은 보라색에서 빨간색까지 다양한 색상으로 구성됩니다. 각 색상은 특정 파장의 빛에 해당합니다. 파란색과 보라색과 같은 짧은 파장은 빨간색과 노란색과 같은 긴 파장에 비해 지구 대기의 분자에 의해 더 효과적으로 산란됩니다. 긴 파장의 지배: 햇빛이 대기를 통과할 때 더 짧은 파란색과 보라색 파장이 대기 분자에 의해 모든 방향으로 산란되어 낮 동안 하늘이 친숙한 파란색이 됩니다. 그러나 노란색, 주황색, 빨간색 등 더 긴 파장은 산란되는 정도가 적고 우리 눈에 직접 도달할 가능성이 더 높습니다. 황백색의 인식: 레일리 산란의 최종 효과는 우리가 지구 표면에서 태양을 볼 때 산란이 덜한 더 긴 파장의 빛을 주로 보게 된다는 것입니다. 이것은 태양의 특징적인 황백색 외관을 비춰줍니다. 태양은 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 빛을 방출하지만 지구 대기의 산란 과정은 우리가 인지하는 색상을 선택적으로 필터링하고 수정합니다. 대기 조건의 변화: 지구에서 관찰되는 태양의 색상은 오염 물질, 먼지 또는 안개의 존재와 같은 대기 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 이러한 요인은 특정 파장의 빛을 더 산란하거나 흡수하여 태양의 색상을 변경할 수 있습니다. 일출이나 일몰 동안 햇빛이 대기의 더 두꺼운 층을 통과하면 더 짧은 파장의 산란이 강화되어 지평선에서 종종 볼 수 있는 붉은 색조로 이어집니다. 요약하면, 지구 표면에서 관찰되는 태양의 색은 햇빛과 지구 대기 사이의 상호 작용, 특히 더 짧은 파장의 빛을 선택적으로 산란시키고 더 긴 파장이 우리 눈에 도달하도록 허용하는 레일리 산란 현상의 결과입니다.